ПЛАЗМЕННЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ТОКА
PLASMA CURRENT BREAKER

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при создании мощных импульсных источников питания для сильноточных ускорителей заряженных частиц, плазменных диодов и т.п.
Индуктивно-емкостные накопители энергии (ИЕНЭ) с плазменным прерывателем тока (ППТ) являются одним из наиболее рациональных типов накопителей энергии благодаря простоте конструкции, хорошим массогабаритным показателям и более высокой плотности запасаемой энергии по сравнению с емкостными накопителями. Одним из самых важных узлов ИЕНЭ является коммутатор, работающий как плазменный прерыватель (размыкатель) тока.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2 123243, МПК Н05Н 1/00, опубл. 10.12.1998 г., под названием «Плазменный прерыватель тока», содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, а также дополнительный электрод, расположенный вне межэлектродного промежутка, изолированный от ближайшего к нему потенциального электрода и соединенный по крайней мере одним проводником с другим потенциальным электродом и нагрузкой, а дополнительный электрод и ближайший к нему электрод подключены к источнику питания.
К недостаткам известного устройства следует отнести:
- наличие дополнительного потенциального электрода и соответствующего дополнительного изолятора.
- невозможность применения конструкции в модульных системах из-за наличия трех коаксиально расположенных относительно друг друга электродов.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является техническое решение, описанное в патенте РФ №2 187 909, МПК Н05Н 1/00, опубл. 20.08.2002 г., под названием «Плазменный прерыватель тока», содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с как минимум двумя источниками питания, каждый с замыкателем, подключенные к нагрузке, и плазменный инжектор.
К недостаткам данного устройства следует отнести наличие дополнительного потенциального электрода с изолятором, охватывающего внешний потенциальный электрод и соответствующего дополнительного изолятора, препятствующего использованию подобной конструкции в модульных установках и невысокий пропускаемый ток (до нескольких сотен килоампер).
Задача настоящего изобретения заключается в улучшении эксплуатационных возможностей плазменного прерывателя тока, позволяющего в случае использования нескольких индуктивно-емкостных накопителей энергии обеспечить синхронную работу как минимум двух и тем самым повысить величину тока, передаваемую в нагрузку.
Это достигается тем, что плазменный прерыватель тока, содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с как минимум двумя источниками питания, каждый с замыкателем, подключенные к нагрузке, и плазменный инжектор, снабженный, по меньшей мере, тремя плазменными инжекторами с образованием не менее трех вакуумных межэлектродных промежутков, при этом внешний потенциальный электрод выполнен заземленным и связан с обоими источниками питания, внутренние потенциальные электроды объединены с сохранением коаксиальной геометрии, связаны каждый со своим источником питания и подключены к нагрузке.
Технический результат заключается в том, что удалось обеспечить:
- надежное и быстрое размыкание тока в ППТ отдельных модулей за счет того, что для них нагрузкой является иизкоомный наносекундный общий ППТ;
- малый дрейф плазмы в сторону диода;
- повышение КПД передачи энергии за счет коммутации отдельных заряженных индуктивных накопителей модулей на общую низкоиндуктивную нагрузку;
- снижение предымпульса напряжения на общей нагрузке за счет быстрого обрыва тока в наносекундном ППТ.
Таким образом, ППТ отдельных ИЕНЭ обеспечивают перевод энергии из конденсаторного накопителя в индуктивный, а наносекундный общий ППТ формирует высоковольтный импульс на низкоиндуктивной нагрузке.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки плазменного прерывателя тока (он снабжен, по меньшей мере, тремя плазменными инжекторами с образованием не менее трех вакуумных межэлектродных промежутков, при этом внешний потенциальный электрод выполнен заземленным и связан с обоими источниками питания, внутренние потенциальные электроды объединены с сохранением коаксиальной геометрии, связаны каждый со своим источником питания и подключены к нагрузке) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 схематично представлена конструкция плазменного прерывателя тока.
На фиг. 2 показаны осциллограммы импульсов тока нагрузки и напряжения, измеренного на центральном электроде одного из модулей в области проходного изолятора.
На фиг. 1 обозначены следующие позиции:
1 - источник питания;
2 - замыкатель;
3 - проходные изоляторы;
4 - инжекторы плазмы;
5 - внутренний потенциальный электрод;
6 - нагрузка;
7 - внешний заземленный электрод.
Стрелками обозначено направление инжекции плазмы.
Плазменный прерыватель тока представляет собой систему цилиндрических электродов: внутренний потенциальный электрод 5 и внешний заземленный электрод 7, разделенных проходным изолятором 3, связанную с источниками питания 1, каждый с замыкателями 2, подключенных к нагрузке 6, и трех инжекторов плазмы 4, расположенных на внешнем заземленном электроде 7, образующих три плазмонаполненных участка, два из которых обеспечивают перевод энергии из конденсаторных накопителей отдельных модулей в индуктивные, а третий (общий) формирует высоковольтный импульс в нагрузке 6.
Работа плазменного прерывателя тока, изображенного на чертеже, осуществляется следующим образом.
Сначала срабатывают инжекторы плазмы 4, формирующие плазменные струи в сторону внутреннего потенциального электрода 5 и образующие при этом плазменные перемычки между внутренним потенциальным 5 и внешним потенциальным 7 электродами в индуктивных накопителях. После формирования трех плазменных перемычек срабатывают замыкатели 2, подключая к электродам ППТ 5 и 7 источники питания 1 с напряжением до 600 кВ в каждом индуктивном накопителе энергии, представляющем собой замкнутый контур:
источник питания 1--> внутренний потенциальный (катодный) электрод 5--> плазма, сформированная в межэлектродном промежутке --> участок внешнего потенциального электрода 7 --> источник питания 1, происходит накопление магнитной энергии. Под действием протекающих токов первые две плазменные перемычки разрушаются, и формируется первый импульс напряжения, суммарный ток от двух индуктивных накопителей начинает течь через третий прерыватель, его сопротивление начинает расти, формируется второй импульс напряжения, который прикладывается к нагрузке 6. Таким образом, реализуется прерывание тока и передача энергии из индуктивных накопителей в нагрузку 6.
Пример конкретного выполнения
Два модуля индуктивно-емкостного накопителя энергии 1 с замыкателями 2 и проходными изоляторами 3 подключены каждый к собственному плазменному размыкателю, образованному внешним потенциальным 7 и внутренним потенциальным 5 электродами и, по меньшей мере, одним инжектором плазмы 4. Внешние потенциальные 7 и внутренние потенциальные 5 электроды двух модулей объединяются, сохраняя коаксиальную геометрию, и продолжаются до нагрузки 6. После точки соединения внешний потенциальный 7 и внутренний потенциальный 5 электроды и, по меньшей мере, один инжектор плазмы 4 образуют третий плазменный прерыватель. Таким образом, ППТ отдельных ИЕНЭ обеспечивают перевод энергии из конденсаторных накопителей в индуктивные, а наносекундный общий ППТ синхронизует их работу и формирует высоковольтный импульс на общей низкоиндуктивной нагрузке 6.
1
2
Предлагаемое техническое решение реализовано и испытано на предприятии. Для примера (см. фиг. 2) показаны осциллограммы импульсов тока нагрузки и напряжения, измеренного на центральном электроде одного из модулей в области проходного изолятора. Показано, что формируется два импульса напряжения, время работы прерывателей отдельных модулей до максимума первого импульса напряжения составляет t=500 нс, а время работы третьего общего прерывателя (между первым и вторым импульсами напряжения) t=190 нс. Начало импульса тока нагрузки соответствует началу второго импульса напряжения, что подтверждает указанный порядок работы представленного технического решения.
Заявляемый плазменный прерыватель тока позволил в случае использования нескольких индуктивно-емкостных накопителей энергии обеспечить синхронную коммутацию отдельных заряженных индуктивных накопителей энергии, как минимум, двух модулей, на общую низкоиндуктивную нагрузку и тем самым повысить величину тока нагрузки, а также добиться снижения требований к синхронности работы ППТ отдельных ИЕНЭ до сотен наносекунд, обеспечения надежного и быстрого размыкания тока в этих ППТ, снижения предымпульса напряжения на общей нагрузке, повышения КПД передачи энергии в нагрузку.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность плазменного прерывателя тока и способность достижения усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».