СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MAKING PLASMA RADIATION SOURCE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к способам и устройствам с управляемой плазмой, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки и испытаний материалов и др.
В последние годы уделено значительное внимание решениям, направленным на создание на основе дуговых разрядов мощных плазменных источников излучения высокой яркости, являющихся эффективными источниками света. Однако источники излучения со стационарной свободно горящей дугой нестабильны вследствие конвекции газа. С ростом давления газа или тока нестабильность источника увеличивается. Предложены различные способы стабилизации электрической дуги: стабилизация вихревым потоком газа, стабилизация электродами, твердой стенкой и ряд других. Однако проблема создания стационарного источника излучения с высокой яркостью, большой излучающей поверхностью и высоким КПД остается достаточно актуальной.
Известен, например, способ получения плазменного источника излучения [Ясько О.И. Характеристики электрической дуги, движущейся в воздухе под воздействием внешнего магнитного поля. В сб. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов. М., Наука, 1973 г., с.45-54], включающий формирование дугового разряда во внешнем поперечном магнитном поле со стабилизацией пространственного положения дуги газовым потоком. При этом способе электромагнитная (пондеромоторная) сила, действующая на дуговой канал в магнитном поле, компенсируется газодинамической силой газового потока, действующей в противоположном направлении. Однако такие сбалансированные дуги малоустойчивы и требуют строгого соблюдения баланса пондеромоторной и газодинамической сил.
Известно устройство для реализации этого способа [Ясько О.И. Характеристики электрической дуги, движущейся в воздухе под воздействием внешнего магнитного поля. В сб. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов. М., Наука, 1973 г., с.45-54], включающее источник питания основного разряда, подключенный к электродам, между которыми протекает постоянный ток электрической дуги, источник питания генератора внешнего магнитного поля, подключенный к выводам соленоида, создающего магнитное поле, направленное перпендикулярно направлению тока разряда, и системы обдува столба дуги холодным газовым потоком в направлении, противоположном направлению действия пондеромоторной силы.
Основным недостатком такого устройства является очень жесткое требование к соотношению между силой тока разряда, величиной индукции магнитного поля, скоростью и плотностью газового потока. Незначительное изменение любой из указанных величин вызывает нарушение баланса сил, действующих на дуговой разряд, и приводит к срыву стабилизации дуги. По этой причине устройство не позволяет изменять временную форму светового импульса. Срыв стабилизации наступает и в случае изменения взаимного пространственного расположения элементов устройства. Кроме того, такое устройство как излучатель обладает низкой эффективностью, поскольку основная доля энергии, вкладываемой в дуговой разряд, отводится из него не излучением, а холодными газовыми потоками, обдувающими разрядный канал дуги.
-2
Известен способ получения плазменного источника излучения на основе магнитоприжатого разряда (МПР) - дугового эрозионного разряда, прижатого к подложке магнитным полем, выбранный нами в качестве прототипа [Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ. 1986. Т.2. №5, С.837.], включающий инициирование разряда, его формирование в канале, имеющем вид лотка из диэлектрического материала, дно и стенки которого облицованы полиформальдегидом, с одновременным формированием магнитного поля, направленного так, что плазменный канал разряда под действием возникающей пондеромоторной силы прижимается ко дну лотка. Способ не позволяет создать квазинепрерывный источник света с длительностью светового импульса больше 10 с из-за высоких значений амплитуды разрядного тока, порядка сотен тысяч ампер, хотя и позволяет реализовать в импульсном режиме эффективный плазменный источник излучения с высокими яркостными температурами. Недостатком способа являются также ограниченные возможности управления параметрами излучения.
Известен выбранный нами в качестве прототипа плазменный источник излучения, реализующий этот способ [Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ. 1986. Т.2. №5, С.837.], включающий источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, размещенный в корпусе и укрепленный на нем формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и магнитной катушки, последовательно включенной в цепь питания разрядного узла, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, установленных под углом 90° ко дну лотка, дно и стенки лотка покрыты плазмообразующим материалом - полиформальдегидом, в открытых торцах лотка расположены металлические электроды, между которыми на дне лотка размещен инициатор разряда в виде полоски алюминиевой фольги, а магнитная катушка выполнена в виде плоских широких шин, проходящих под дном лотка и соединенных между собой и разрядным каналом так, что ток в шинах и в разрядном канале протекает в одном направлении, причем межэлектродный промежуток разрядного канала является частью витка «Ф»-образной магнитной катушки. Сквозные отверстия в боковых стенках лотка служат также, как и открытые торцы, стоками нарабатываемой эрозионной плазмы.
2
6
5
Плазменный источник излучения такой конструкции является эффективным излучателем лишь в области максимума разрядного тока, когда магнитное и газовое давление в плазме выравниваются, и происходит стабилизация разряда. В данной конструкции плазменного источника света пондеромоторная сила, прижимающая разрядный канал ко дну лотка, оказывается пропорциональной величине тока разряда I во второй степени. Поэтому на переднем фронте импульса разрядного тока, когда I мало, величина пондеромоторной силы оказывается недостаточной для сдерживания расширения плазменного канала под действием высокого газового давления, возникающего в плазме при инициировании разряда. Расширение канала разряда приводит к уменьшению объемной плотности вводимой в разряд электрической энергии и уменьшению мощности излучения. То же происходит на спаде тока. Магнитная система в виде трехвитковой «Ф-образной» катушки, используемая в этой конструкции излучателя, создает в лотке магнитное поле с требуемыми значениями индукции (~2·10А/м) только при очень больших значениях тока, протекающего через нее (~2·10 А). Такая катушка не позволяет увеличить индукцию прижимающего поля за счет увеличения числа витков, так как каждый дополнительный виток будет располагаться на большем удалении от канала разряда и давать все меньший вклад в суммарную величину индукции магнитного поля.
Заявленная нами группа изобретений позволяет создать высокоэффективный квазинепрерывный плазменный источник излучения при относительно малых токах разряда с длительным, порядка единиц секунд, режимом излучения, с возможностью управления в широком диапазоне параметрами источника излучения, такими как спектральный состав, энергетическая светимость, энергия излучения.
Такой технический эффект достигнут нами, когда
- в способе получения плазменного источника света на основе дугового разряда эрозионного типа, включающем инициирование разряда, формирование плазменного разряда в канале, выполненном в виде лотка из диэлектрического материала с покрытием, и генерацию магнитного поля в лотке для создания пондеромоторного давления на плазму, новым является то, что магнитное поле создают пространственно однородным, а плазменный разряд начинают формировать до формирования плазменного разряда при достижении величины его индукции, найденной из соотношения
где В - индукция магнитного поля, А/м;
Р - пондеромоторное давление в плазме разряда, Па;
I - сила тока, А;
b - ширина лотка, м;
при одновременном управлении амплитудой и временной формой светового импульса, варьируя условия формирования электромагнитных характеристик разряда;
- в плазменном источнике излучения, включающем источник питания, формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и узла создания прижимающего магнитного поля, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала с покрытием с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, в открытых торцах лотка расположены электроды, соединенные между собой инициатором разряда, новым является то, что источник питания разрядного узла выполнен в виде выпрямителя, узел создания прижимающего магнитного поля - в виде электромагнита с сердечником, обмотка которого соединена с отдельным источником питания в виде выпрямителя, лоток установлен в зазоре сердечника электромагнита, покрытие лотка выбрано из термостойкого материала на основе соединений легкоионизуемых элементов, а электроды выполнены из графита, при этом инициатор разряда снабжен автономным емкостным источником питания.
Выбор мощности выпрямителя определяется требуемыми размерами излучающей поверхности и ее температурой и находится по закону Стефана-Больцмана.
Если источники питания разряда и электромагнита выполнить в виде тиристорных выпрямителей, то появляется возможность управлять мощностью излучения источника.
На фиг.1 показана электрическая схема заявленного устройства, где источник 1 питания излучателя; емкостной накопитель 2 инициирования разряда, формирователь 3 разряда, источник 4 питания электромагнита, обмотка 5 электромагнита.
На фиг.2 приведена конструкция плазменного излучателя, где сердечник 6 электромагнита, обмотка 7 электромагнита, токоподводы 8 обмотки электромагнита, лоток 9, электроды 10, токоподводы 11 основного разряда.
На фиг.3 представлены временные зависимости электрических параметров плазменного излучателя в режиме профилированного импульса разрядного тока, где «а» - ток разряда I (кривая 1), напряжение на плазменном канале U (кривая 2); «б» - электрическая мощность, вкладываемая в разряд W (кривая 1), сопротивление R (кривая 2) плазменного канала, время - t. Длительность спадающего токового импульса 0.8 с, амплитуда 5000 А, максимальная вкладываемая электрическая мощность - 1.2 МВт. На фиг.4 приведены кадры киносъемки плазменного канала. Первый и последний кадры получены без ослабляющих светофильтров. Остальные кадры сняты через нейтральные светофильтры общим ослаблением в 200 раз.
я
На фиг.5 приведены временные зависимости энергетических характеристик излучения плазменного источника, измеренные в ультрафиолетовой (кривые 1), видимой (кривые 2) и ближней инфракрасной (кривые 3) областях спектра, где на «а» - яркостная температура T, на «б» - энергетическая светимость W и на «в» - энергия излучения E.
Работа заявленной группы изобретений рассмотрена на примере устройства, описанного в примере конкретного исполнения (см. фиг.1, 2).
Заявленные способ и устройство осуществляются следующим образом. Квазинепрерывный плазменный излучатель с возможностью регулирования параметров излучения создается при использовании дугового разряда эрозионного типа. Дуговой разряд эрозионного типа, управляемый магнитным полем, не имеет ограничений на вводимую электрическую мощность и способен осуществлять полную стабилизацию плазменного канала. В качестве устройства, создающего прижимающее магнитное поле, нами выбран электромагнит с сердечником 6, благодаря чему в зазоре сердечника удается относительно малыми токами в сотни ампер создать пространственно однородное магнитное поле с высокой индукцией. Сечение сердечника электромагнита в области зазора выбирается таким, чтобы магнитное поле в объеме лотка было однородным. Подходы к формированию однородного поля в зазоре ярма электромагнита известны. Благодаря использованию однородного магнитного поля при прочих равных условиях удается сформировать плазменный слой с максимально возможной оптической толщиной и мощностью излучения. Выводы 8 обмотки 7 электромагнита подключаются к отдельному тиристорному выпрямителю 4. Благодаря этому появляется возможность независимого от тока разряда регулировать индукцию магнитного поля в лотке и управлять мощностью излучения разряда путем регулирования величины пондеромоторного давления в плазме. Полярность подключения обмотки 7 электромагнита выбирается таким образом, чтобы возникающее в зазоре сердечника магнитное поле  создавало пондеромоторную силу ~, направленную так, чтобы канал разряда прижимался ко дну лотка. Величина индукции магнитного поля  B - индукция магнитного поля, А/м; Р - пондеромоторное давление в плазме разряда, Па; I - сила тока, A; a b - ширина лотка, м,
выбирается такой, чтобы пондеромоторное давление в плазме разряда в начале формирования разрядного канала сдерживало расширение плазменного слоя, а затем обеспечивало необходимую степень приближения излучения плазмы к излучению абсолютно черного тела. Подходы к выбору степени приближения излучения плазмы к излучению абсолютно черного тела известны.
изл
пл
эл
Разрядный узел, выполненный в виде диэлектрического лотка 9 с открытыми торцами, помещают в зазор сердечника электромагнита. В открытых торцах лотка размещаются электроды 10. Выводы 11 электродов подключаются к мощному тиристорному выпрямителю 1. Благодаря этому возникает возможность пропускания через разрядный канал тока большой величины при относительно низком, характерном для дуговых разрядов, напряжении в течение длительного времени. Использование графита в качестве материала электродов позволяет повысить их термостойкость и соответственно время горения разряда. Электроды соединяются между собой узкой полоской алюминиевой фольги, служащей инициатором разряда. К электродам подключается автономный блок питания 2 инициатора разряда, выполненный в виде высоковольтного емкостного накопителя небольшой емкости. Подходы к решению конструкции инициатора разряда и его блока питания известны. Площадь S излучающей поверхности плазмы разряда, равная произведению длины l межэлектродного расстояния на ширину b лотка, определяется исходя из температуры Тплазмы светового КПД η разряда и электрической мощности W тиристорного выпрямителя по формуле:
где σ - постоянная Стефана-Больцмана.
Рабочий цикл начинается с подачи напряжения от тиристорного выпрямителя 4 на обмотку 7 электромагнита. После достижения током обмотки значения, выбранного для достижения необходимых параметров излучения, на электроды 10 одновременно подают высокое напряжение от емкостного накопителя 2 и напряжение от тиристорного выпрямителя 1 основного разряда. Под действием тока разряда емкостного накопителя 2 происходит электрический взрыв полоски фольги. Благодаря опережающему включению выпрямителя 4 питания обмотки 7 электромагнита начальная стадия формирования плазменного канала разряда в лотке 9 происходит в уже заранее созданном магнитном поле. При этом разлет плазменного канала под действием высокого газового давления, образовавшегося при взрыве фольги, сдерживается магнитным полем, что повышает объемную плотность вводимой в разряд электрической энергии и мощность излучения. По образовавшемуся плазменному каналу протекает ток от тиристорного выпрямителя 1 основного разряда. Под действием джоулева нагрева током тиристорного выпрямителя плазменный канал разогревается и прижимается магнитным полем к дну лотка 9. Продукты возгонки материала дна и стенок лотка непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют стационарно излучающий слой. Благодаря размещению лотка в зазоре сердечника электромагнита образуется устойчивая во времени и пространстве конфигурация плазменного излучателя.
В качестве плазмообразующих материалов покрытия дна и стенок диэлектрического лотка нами выбраны термостойкие керамические материалы на основе соединений легкоионизуемых элементов, таких как Са, Na, Ba, La и др., вследствие чего в плазме образуется повышенная концентрация заряженных частиц и, следовательно, увеличивается излучательная способность и мощность излучения плазмы. Кроме того, благодаря использованию плазмообразующих материалов разного состава, появляется возможность регулирования спектрального состава излучения. Термостойкие керамические материалы перечисленных типов известны.
Управление амплитудой и временной формой светового импульса осуществляют подачей на вход тиристорных выпрямителей 1 и 4 управляющих напряжений соответствующей формы. Параметры управляющего напряжения зависят от схемы выпрямителя. Подходы к управлению тиристорными выпрямителями известны.
Киносъемка показывает (см. фиг.4), что плазменный канал удерживается магнитным полем в течение всего импульса разрядного тока. На последнем кадре видно, что разрядное устройство сохранило работоспособность и после остывания электродов готово к следующему запуску.
Приведенные на фиг.5 временные зависимости энергетических характеристик излучения плазменного источника, измеренные в трех спектральных интервалах при временных зависимостях электрических параметров, приведенных на фиг.3, показывают практическое совпадение значений яркостных температур.
Пример конкретного исполнения (см. фиг.1, 2).
В нашей организации изготовлен макет квазинепрерывного плазменного излучателя для интенсивного облучения на основе магнитоприжатого разряда.
эл
пл
2
Питание излучателя осуществляется от сетевого тиристорного агрегата 1 КТЭУ-4000. Этот агрегат электрической мощностью W=3 МВт обеспечивает на низкоомной нагрузке ток I≈5000 А, напряжение U≈ 600 В. Такая электрическая мощность при η≈0,1 и T=6000 К обеспечивает площадь излучающей поверхности МПР 15 см.
пл
5
Линейная плотность тока, способная обеспечить T= 6000 К, I/b≈2,5÷3 кА/см (здесь b - ширина канала разряда). Следовательно, при питании МПР от сетевого тиристорного агрегата КТЭУ-4000 ширина канала разряда может быть b≈2 см и, соответственно, длина L≈8 см. При такой длине канала разряда напряженность электрического поля должна быть E=U/L≈40 В/см, а индукция внешнего магнитного поля B, прижимающего канал разряда B≈8·10 А/м.
2
Токоподводы электромагнита подключены к трехфазному сетевому тиристорному выпрямителю 4 на 500 А мощностью 250 кВт. Оценки показывают, что для создания однородного магнитного поля в зазоре электромагнита шириной 3 см таким током его обмотка должна содержать не менее 330 витков, намотанных проводом сечением не менее 16 мм.
2
5
3
В качестве материала сердечника 6 электромагнита выбрана обычная малоуглеродистая мягкая сталь. На сердечник намотана обмотка 7 из 330 витков сечением 16 мм. При токе обмотки I=(450±50) А индукция магнитного поля в зазоре электромагнита шириной 2.5 см B=(6.0±0.1)·10 А/м. В зазоре электромагнита устанавливается разрядный канал 9, дно которого изготовлено из керамики, содержащей СаСО, стенки облицованы матовым кварцем. Электроды 10 изготовлены из графита. Электроды подключены к сетевому тиристорному агрегату 1 КТЭУ-4000. Инициирование разряда осуществляется с помощью электрического взрыва полоски алюминиевой фольги (не показана) шириной 5-7 мм, толщиной 10-20 мкм, замыкающей разрядный промежуток при подаче на электроды напряжения U=3 кВ от накопителя 2 емкостью 1000 мкФ.
Для проверки возможности формирования световых импульсов с заданной временной формой проведены эксперименты с профилированным импульсом разрядного тока (см. фиг.3). Отсутствие резких скачков напряжения на плазменном канале, его сопротивления и вкладываемой электрической мощности свидетельствует о полной стабилизации плазменного канала магнитным полем. Это подтверждается и кадрами киносъемки плазменного канала, приведенными на фиг.4.
Значения яркостных температур в разных спектральных интервалах практически совпадают (см. фиг.5). Это позволяет пересчитать экспериментальные результаты для спектральных диапазонов УФ Δλ=300-400 нм; видимого Δλ=400-700 нм и ИК Δλ=700-3000 нм.
2
2
2
Энергетическая светимость плазменного излучателя в этом режиме достигает 3500 Вт/см, яркость - 560 Вт/смср, мощность излучения со всей поверхности - 31500 Вт, лучистый поток - 5000 Вт/ср. За весь импульс разряд излучает 15000 Дж. Следует отметить, что приведенные данные определяют нижний предел энергетических параметров излучения плазменного источника. Калориметрические измерения, проведенные параллельно с фотоэлектрическими, дают значение эффективной температуры плазмы в максимуме излучения T≅7400 К. Таким образом, усредненная по калориметрическим и фотоэлектрическим измерениям температура в максимуме светового импульса составляет (6200±1200) К. Эта температура дает значение энергетической светимости W≅7850 Вт/см.
Проведенные исследования магнитоприжатого разряда с раздельным питанием системы магнитного удержания плазмы и основного разряда показали, что разряд является эффективным излучателем, способным работать в квазинепрерывном режиме с длительностью свечения в единицы секунд. Временная форма импульса излучения разряда определяется вкладываемой электрической мощностью и задается формой сигнала управления на входе тиристорного регулятора. Мощность излучения плазменного источника превышает 30 кВт.