импульсная плазменная установка

Формула изобретения

Импульсная плазменная установка, содержащая положительный и отрицательный электроды, источник питания вспомогательной дуги и генератор импульсного тока, отличающаяся тем, что она снабжена электромагнитом, отражающей стенкой из диэлектрического материала и обмоткой магнитного дутья, соединенной с источником выпрямленного напряжения, при этом отрицательный электрод жестко связан с якорем электромагнита, обмотка которого включена между указанным электродом и отрицательным полюсом источника питания вспомогательной дуги, причем с электродом она связана гибким проводом, а обмотка магнитного дутья размещена непосредственно за отражающей стенкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике, а более точно к устройствам с косвенным нагревом дуговым разрядом, и может быть использовано как источник интенсивного светового излучения.

Известен импульсный плазменный ускоритель эрозионного типа (Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. -М.: Машиностроение, 1975, с. 198 - 208), принятый в качестве прототипа. Который содержит плазмотрон, имеющий два высоковольтных электрода, генератор импульсного тока, источник инициирования вспомогательного разряда, блок управления, разрядную камеру и сопло. Ускорение потока плазмы достигается посредством создания высокого давления в камере устройства, а также за счет взаимодействия осевых холловских токов с азимутальным магнитным полем, образованным током, текущим по центральному электроду. Плазмообразующий газ получается непосредственно в камере ускорителя при действии электрического разряда на стенку камеры, выполненную из газогенерирующего материала (например, фибры, меди, оргстекла). При этом газодинамические и магнитные силы не уравновешивают друг друга, вследствие чего на срезе ускорителя образуется самосжимающаяся область повышенной температуры и плотности, так называемый плазменный фокус, являющийся источником интенсивного светового излучения.

Перемещение высоковольтного сильноточного импульсного разряда по электродам устройства в течение всего периода работы обусловливает их повышенный износ, а разрушение стенки разрядной камеры, имеющее место при генерации плазмообразующего газа, уменьшает ресурс работы устройства. Кроме того, взаимное экранирование частиц плазменного фокуса ограничивает интенсивность излучения. Снижение напряжения и мощности разряда, перемещающегося по электродам устройства, хотя и способно снизить термическую нагрузку на его элементы, однако, в свою очередь, чревато резким падением интенсивности излучения, кроме того, при движении дуги по направляющим электродам в поперечном магнитном поле практически невозможно обеспечить стабильность таких ее характеристик, как ток, удельная проводимость, скорость перемещения, постоянство формы (сечения, длины, радиуса кривизны), что ведет к разбросу параметров процесса разряда и генерации излучения.

По сравнению с устройством прототипа предлагаемое изобретение позволяет обеспечить заданную стабилизацию характеристик и формы дуги непосредственно в момент высоковольтного разряда, существенно повысить интенсивность излучения при сопоставимых энергетических затратах, а также значительно уменьшить термическую нагрузку на элементы устройства.

Это достигается тем, что предлагаемое устройство, содержащее положительный и отрицательный электроды, источник питания вспомогательной дуги и генератор импульсного тока, снабжено электромагнитом, отражающей стенкой из диэлектрического материала и обмоткой магнитного дутья, соединенной с источником выпрямленного напряжения, при этом отрицательный электрод жестко связан с якорем электромагнита, обмотка которого включена между указанным электродом и отрицательным полюсом источника питания вспомогательной дуги, причем с электродом она связана гибким проводом, а обмотка магнитного дутья размещена непосредственно за отражающей стенкой и присоединена к источнику выпрямленного напряжения.

Существенные отличия предлагаемого устройства от прототипа заключаются в том, что устройство предлагаемого изобретения содержит электромагнит, предназначенный для разведения электродов, отражающую стенку из диэлектрического материала, при контакте плазменного сгустка с которой происходит генерация интенсивного светового излучения, и обмотку магнитного дутья, обеспечивающую контакт плазмы и отражающей стенки, при этом отрицательный электрод выполнен подвижным и жестко связан с якорем электромагнита, обмотка которого включена между указанным электродом и отрицательным полюсом источника питания вспомогательной дуги, причем с электродом она связана гибким проводом. Это сделано ввиду того обстоятельства, что в устройстве предлагаемого изобретения дуга растягивается до момента достижения ею заданных энергетических и геометрических параметров, после чего осуществляется ее пробой высоковольтным разрядом. Растяжение дуги осуществляется за счет раздвижения электродов посредством электромагнита. При этом опорные точки дуги располагаются на концах электродов неподвижно, а паровая катодная струя, обтекая столб дуги, дополнительно стабилизирует ее электрофизические характеристики. Кроме того, размещение обмотки магнитного дутья непосредственно за отражающей стенкой улучшает динамический контакт плазмы с поверхностью стенки.

На чертеже представлена общая схема импульсной плазменной установки.

Установка содержит высоковольтные электроды 1 и 2 (1 - катод, 2 - анод), источник 3 питания вспомогательной дуги, представляющий собой регулируемый источник выпрямленного тока, дроссель 4, генератор импульсного тока, включающий высоковольтный конденсатор 5, источник 6 высокого выпрямленного напряжения, резистор 7, осциллятор 8 и разрядник 9, а также отражающую стенку 10 из диэлектрического материала, обмотку 11 магнитного дутья и электромагнит, состоящий из обмотки 12, якоря 13, пружины 14 и изолирующей втулки 15.

Отрицательный электрод 2 жестко связан с якорем 13 электромагнита, обмотка 12 которого включена между электродом 2 и отрицательным полюсом источника 3, причем с электродом она связана гибким проводом, а электрод 1 подключен к положительному полюсу источника 3 через дроссель 4. Высоковольтный конденсатор 5 связан с источником 6 через резистор 7 и через осциллятор 8 и разрядник 9 подключен параллельно электродам 1 и 2. Отражающая стенка 10 расположена вблизи разрядного промежутка 16, причем обмотка 11 магнитного дутья расположена непосредственно за отражающей стенкой. Цепи контроля и управления источника 3 связаны с цепью пуска осциллятора 8. Обмотка 11 питается от источника выпрямленного напряжения, который при необходимости может быть выполнен регулируемым (не показан).

Установка работает следующим образом.

В начальном положении электроды 1 и 2 сведены вместе. Перед включением источника 3 конденсатор 5 должен быть полностью заряжен. При запуске источника 3 образуется следующая цепь тока: положительный полюс источника 3, дроссель 4, электрод 1, электрод 2, обмотка 12 электромагнита, отрицательный полюс источника 3. В результате протекания тока через обмотку 12 якорь 13 втягивается в обмотку, одновременно перемещая электрод 2. В результате разведения электродов 1 и 2 между ними зажигается вспомогательная дуга, стабильность параметров которой (тока, удельной проводимости) обеспечивается за счет регулирующего действия источника 3 и дросселя 4. По достижении вспомогательной дугой заданной длины при условии стабильности ее электрических характеристик от источника 3 на осциллятор 8 и на источник питания обмотки магнитного дутья подается пусковой импульс, осциллятор срабатывает и пробивает промежуток разрядника 9, замыкая цепь разряда высоковольтного конденсатора 5 и инициируя высоковольтный разряд между электродами 1 и 2. Разрядник 9 в данной схеме предназначен для предотвращения возможности включения генератора импульсного тока при недостаточном заряде конденсатора. Время заряда конденсатора 5 определяется наряду с его емкостью величиной сопротивления резистора 7. В результате взаимодействия магнитных полей дуги и обмотки 11 магнитного дутья сгусток плазмы притягивается к холодной отражающей стенке и как бы раскатывается по ней в тонкую пленку, в связи с чем снижается экранирующее действие частиц плазмы. При этом ввиду малой толщины плазменной пленки и большой площади излучающей поверхности интенсивность излучения плазмы существенно усиливается.

Такая конструкция позволяет предварительно сформировать параметры вспомогательной дуги, однозначно определяющие характер процесса протекания высоковольтного разряда, благодаря чему высоковольтный разряд с заданными характеристиками формируется только в конце периода работы, что снижает термическую нагрузку на элементы устройства. Кроме того, механизм генерации излучения с применением отражающей стенки, реализованный в данном устройстве, позволяет существенно снизить экранирующий эффект частиц плазмы, что при сопоставимых энергетических затратах обеспечивает более высокую интенсивность излучения. В свою очередь, размещение обмотки магнитного дутья непосредственно за отражающей стенкой дополнительно улучшает динамический контакт плазмы с поверхностью стенки.