СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ В ПЛАЗМЕННОМ ПРЕРЫВАТЕЛЕ ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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 создания плазменного слоя в плазменном прерывателе тока (ППТ) [V.A.Kokchenev, N.E.Kurmaev, F.I.Fursov, "Megampere microsecond POS", Proc. 12th Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2000, vol. 2, p.268], при котором генерируемая плазма инжектируется от поверхности вакуумной камеры, являющейся внешним электродом, радиально к внутреннему электроду. Недостаток способа состоит в том, что возникает аксиальная неоднородность инжектируемой плазмы из-за дискретного расположения плазменных пушек.

Известен плазменный прерыватель тока (ППТ) [V.A.Kokchenev, N.E.Kurmaev, F.I.Fursov, "Megampere microsecond POS", Proc. 12th Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2000, vol. 2, p.268] с плазменными источниками, расположенными на наружной поверхности внешнего электрода емкостного накопителя. Коаксиальные внешний и внутренний электроды ППТ, образующие вакуумную камеру, соединены соответственно с электродами источника энергии и закорачиваются плазменным слоем, образованным системой источников плазмы. При этом количество плазменных инжекторов в данном устройстве достигает нескольких десятков единиц. Недостатком такой схемы является слишком большое количество источников плазмы. Это усложняет процесс синхронизации работы плазмообразующей системы и вносит неудобства в эксплуатацию.

Известен способ создания плазменного слоя в 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 во внутреннем электроде вакуумной камеры ППТ (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 ППТ плазменного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является 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], выбранный за прототип устройства. Этот прерыватель тока построен 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. Данная конструкция имеет ряд недостатков. Во-первых, источник плазмы установлен внутри центрального электрода. Это требует достаточного места и накладывает ограничения на геометрический размер внутреннего проводника. При такой компоновке также существенно затруднен доступ к плазменному источнику. Во-вторых, система питания плазменного источника достаточно громоздка, высоковольтные вводы требуют тщательной электрической изоляции. Кроме того, при инициировании электрического пробоя между электродами источника плазмы возможно образование несимметричного плазменного слоя, что приведет к азимутальной неоднородности формирующейся плазменной оболочки.

Задачей предлагаемого решения является оптимизация способа образования плазменного слоя и создание конструкции ППТ, реализующей этот способ, с улучшенными рабочими характеристиками.

Технический результат способа заключается в технологичном формировании в межэлектродном промежутке ППТ однородного плазменного слоя.

Технический результат устройства для его осуществления (плазменного прерывателя тока) заключается в упрощении конструкции ППТ, что обеспечивает удобство эксплуатации, расширении возможностей компоновки узла ППТ, получении пространственно однородного плазменного слоя.

Технический результат способа достигается тем, что в отличие от известного способа, включающего генерацию плазмы вне межэлектродного промежутка вакуумной камеры ППТ, формирование радиального плазменного слоя в межэлектродном промежутке ППТ, в предлагаемом способе генерацию плазмы производят за пределами вакуумной камеры ППТ, поток плазмы инжектируют в вакуумную камеру вдоль ее оси, формируют плазменный слой путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока в радиальную.

Генерация плазмы за пределами вакуумной камеры позволяет обеспечить независимость работы источника плазмы от процессов, происходящих во внутреннем объеме вакуумной камеры, что повышает технологичность способа, в отличие от прототипа, где в процесс генерации плазмы завязаны внутренние характеристики вакуумной камеры. При этом обязательным является обеспечение инжекции потока плазмы в вакуумную камеру вдоль ее оси, что позволяет путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока в радиальную повысить однородность сформированного плазменного слоя за счет обеспечения симметричного его расширения в межэлектродный промежуток и снятия условий возникновения его неоднородностей.

В заявке предложено одно из возможных устройств, реализующих заявленную в способе последовательность операций, способствующих созданию требуемого плазменного слоя.

Технический результат устройства достигается тем, что в отличие от плазменного прерывателя тока, содержащего образующие вакуумную камеру внешний и внутренний коаксиальные электроды, электрически соединенные с источником энергии, источник плазмы с системой формирования плазменного слоя, обеспечивающий инжекцию плазмы в межэлектродный промежуток плазменного прерывателя тока, в предлагаемом ППТ плазменный инжектор вынесен за пределы вакуумной камеры, сообщается с ней через плазмовод, обращенный в сторону внутреннего электрода, и расположен вдоль оси вакуумной камеры, системой формирования плазменного слоя служит установленный в вакуумной камере осесимметричный отражатель плазмы.

Отражатель плазмы может быть выполнен в виде конуса.

Отражатель плазмы может быть установлен на торцевой поверхности внутреннего электрода ППТ.

Отражатель плазмы может быть размещен в полости внутреннего электрода, в боковой поверхности которого напротив места его размещения выполнены отверстия для вывода плазмы.

Эти отверстия могут иметь форму щели.

На осевых границах зоны отверстий в межэлектродный промежуток могут быть введены элементы, ограничивающие размеры формируемого плазменного слоя.

Эти элементы могут быть выполнены в форме дискообразных концентрических пластин.

В ППТ плазмообразующая система с плазменным инжектором вынесена за пределы вакуумной камеры, сообщается с ней через плазмовод, обращенный в сторону внутреннего электрода (плазменный инжектор расположен вдоль оси вакуумной камеры), и представляет собой самостоятельный узел, что способствует упрощению конструкции ППТ, обеспечивающее удобство эксплуатации, и расширяет возможности компоновки узла ППТ. Плазма аксиально вводится через плазмовод внутрь центрального электрода - катода, а затем выводится из него в межэлектродную область ППТ с помощью осесимметричного отражателя, являющегося элементом системы формирования плазменного слоя, или, отражаясь от отражателя на торце центрального электрода, выводится в область ППТ радиально. Примером выполнения отражателя является отражатель с конической поверхностью, обеспечивающий осесимметричное отражение плазмы. Применение осесимметричного отражателя позволяет получить пространственно однородный плазменный слой. Как возможный вариант, расположение отражателя снаружи внутреннего электрода позволяет непосредственно формировать плазменный слой в межэлектродном пространстве (например, размещение конического отражателя осесимметрично внутреннему электроду на его торце). Возможным вариантом расположения отражателя, технологически более сложным, является его размещение в полости внутреннего электрода, при этом для обеспечения выхода плазменного слоя в межэлектродное пространство необходимо выполнение в боковой поверхности электрода напротив места размещения отражателя отверстий. Выполнение отверстий в форме щели позволит регулировать аксиальную длину плазменного слоя. На осевых границах зоны отверстий в межэлектродный промежуток могут быть введены элементы, уменьшающие расширение плазменного слоя в межэлектродной области. Эти элементы могут быть выполнены в форме дискообразных концентрических пластин, что обусловлено цилиндрической геометрией вакуумной камеры и катода.

Таким образом, при заявленной компоновке ППТ геометрия и размеры электродов вакуумной камеры прерывателя не зависят от конструкции плазменного источника. Это упрощает конструкцию ППТ и обеспечивает возможность оперативной замены как плазменного источника, так и элементов ППТ, что расширяет режимные возможности ППТ. Например, изменение параметров внутреннего электрода позволяет варьировать межэлектродный промежуток, длину и конфигурацию токового канала как в фазе накопления тока, так и в фазе разрыва тока (изменение дрейфового пространства). Использование различных плазменных инжекторов в плазмообразующей системе также позволяет расширить рабочий диапазон ППТ. При этом обеспечена пространственная однородность плазменного слоя.

На фиг.1 изображен плазменный прерыватель тока с коаксиальным газовым плазменным инжектором, плазмоводом, катодом с отверстиями для вывода плазмы и осесимметричным конусным отражателем плазмы, размещенным в полости внутреннего электрода.

На фиг.2 изображен плазменный прерыватель тока с коаксиальным газовым плазменным инжектором, плазмоводом, катодом, осесимметричным конусным отражателем плазмы внутри катода и дискообразными концентрическими пластинами, ограничивающими плазменный слой.

На фиг.3 изображен плазменный прерыватель тока с коаксиальным газовым плазменным инжектором, плазмоводом, катодом и осесимметричным конусным отражателем плазмы, установленным на торцевой поверхности катода.

Предлагаемый плазменный прерыватель тока (устройство для осуществления способа) содержит источник энергии 1, электрически соединенный через линию передачи тока 2 с корпусом вакуумной камеры, образованной внешним электродом 3, осесимметричный конусный отражатель плазмы 4 (система формирования плазменного слоя), внутренний электрод 5, плазменный инжектор 10, вынесенный за пределы вакуумной камеры, с плазмоводом 6, расположенным вдоль оси вакуумной камеры и обращенного в сторону внутреннего электрода, клапан импульсного напуска газа 8, источники питания плазменного инжектора 7 и газового клапана 9. Внутренний электрод ППТ может быть с выполненными на его боковой поверхности отверстиями 11, зона отверстий может быть ограничена элементами 12 (фиг.1 - 3).

В примере конкретного выполнения источником энергии может служить емкостный накопитель энергии, собранный по схеме генератора импульсного тока. Другим типом источника энергии может быть взрывомагнитный генератор (см. [Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972, с.256]).

Линия передачи тока от источника энергии к электродам ППТ может представлять собой кабельную линию или, например, коаксиальную линию, заполненную жидким или газообразным диэлектриком.

Плазмообразующая система ППТ представляет собой систему, содержащую плазменный инжектор с источником питания и плазмовод, транспортирующий плазму в межэлектродный зазор ППТ. Могут применяться плазменные инжекторы как с импульсным напуском газа, так и без него. Первый тип инжекторов (коаксиальный, индукционный инжектор и др.) основан на сильноточном газовом разряде и требует дополнительной системы для импульсного напуска газа в межэлектродное пространство инжектора, а также источник питания газового клапана. Плазменные инжекторы без импульсного напуска газа (кабельные инжекторы, флэшборды и др.) основаны на сильноточном вакуумном пробое по поверхности диэлектрика с питанием от генераторов импульсных токов.

Работа устройства начинается с включения автономной плазмообразующей системы 7, 8, 9, 10 для заполнения межэлектродного промежутка плазменного прерывателя тока плазменным слоем. Здесь реализуются операции заявляемого способа, связанные с генерацией плазмы за пределами вакуумной камеры ППТ и инжекцией потока плазмы в вакуумную камеру вдоль ее оси. Далее происходит формирование плазменного слоя при преобразовании аксиальной (осевой) скорости плазменного потока, которой характеризуется поток плазмы при его осевой инжекции в вакуумную камеру, в радиальную, например, с помощью предложенных ниже отражателей. Формирование плазменного слоя происходит с помощью осесимметричного отражателя плазмы 4 (например, с конической поверхностью). При этом отражатель может быть расположен внутри центрального (внутреннего) электрода 5 вакуумной камеры. В этом случае обязательным является наличие отверстий для выхода плазмы, например, в форме щелей 11 в боковой поверхности внутреннего электрода (фиг.1); вне внутреннего электрода 5 вакуумной камеры на его торце (в данном случае нет необходимости в отверстиях) (фиг.3), а в случае с отверстиями (фиг.2) осевые границы зоны отверстий могут быть ограничены элементами 12, введенными в межэлектродный зазор, например в форме дискообразных концентрических пластин. Вслед за этим включается источник энергии 1. Генерируемый им ток проходит по передающей линии 2, электродам 3, 5 ППТ и плазменному токовому каналу, шунтирующему нагрузку в фазе накопления тока. Время накопления тока определяется емкостью источника энергии и суммарной индуктивностью источника энергии, линии передачи тока и электродов ППТ.

При достижении током критического уровня, определяемого геометрией и плазменными параметрами ППТ, фазу накопления тока сменяет фаза разрыва тока. При этом наблюдается резкий рост сопротивления плазменного токового канала, генерируется ЭДС самоиндукции, далее генерируемый электромагнитный импульс передается в нагрузку.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет добиться требуемого технического результата. Выполнение технической задачи связано с вынесением плазмообразующей системы в самостоятельный узел, внешний по отношению к корпусу ППТ (внешнему электроду ППТ), и использованием определенных отражателей плазмы, что позволяет реализовать операции заявляемого способа, связанные с особенностями генерации, инжекции плазмы и формирования плазменного слоя. Это предоставляет дополнительные возможности по компоновке элементов ППТ, упрощает доступ к плазменному инжектору и его системе питания. Возможность оперативной замены как плазменного источника, так и элементов ППТ расширяет диапазон работы ППТ. При этом обеспечена пространственная однородность плазменного слоя.

Способ реализуется более технологично, позволяя от одного плазменного инжектора получить пространственно однородный плазменный слой в межэлектродном промежутке ППТ.