ИНЖЕКТОРНЫЙ УЗЕЛ ПЛАЗМЕННОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ ТОКА КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА
INJECTION UNIT OF PLASMA CURRENT BREAKER OF COAXIAL TYPE

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано для создания плазменного слоя в плазменных прерывателях тока (ППТ) электрофизических установок коаксиального типа, обеспечивающих получение мощных электромагнитных импульсов, ускоренных потоков заряженных частиц и т.п.
Известен инжекторный узел ППТ, содержащий коаксиальный плазменный инжектор, связанный с ППТ [«Исследование плазменных прерывателей тока с импульсными газовыми пушками», ЖТФ, том 61, вып.8, стр.84]. Инжектор образован двумя (внешним и внутренним) изолированными друг от друга коаксиальными электродами, подключенными к импульсному источнику питания, и связан с системой импульсного напуска газа в кольцевой межэлектродный зазор. Инжектор установлен с образованием общего вакуумного объема на корпусе ППТ перпендикулярно его оси. Сформированная в инжекторе плазменная струя впрыскивается через сквозное окно в корпусе в радиальном направлении в межэлектродный промежуток ППТ.
Недостаток данного инжекторного узла для целого ряда применений в составе ППТ состоит в невозможности его использования для формирования азимутально-однородного плазменного слоя в межэлектродном промежутке ППТ, что является существенным для получения высоких выходных характеристик плазменных электрофизических установок.
Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство (инжекторный узел ППТ), описанное в патенте РФ №2257019 (опубликовано в БИ №9, 2005 г.). В основе устройства лежит принцип преобразования аксиальной скорости потока плазмы в радиальную посредством системы формирования плазменного слоя в образованном заземленным и потенциальным электродами межэлектродном промежутке ППТ с помощью осесимметричного отражателя плазмы. Газоплазменный инжектор устройства представляет собой встроенную в вакуумную камеру ППТ вдоль ее оси с образованием единого вакуумного объема систему из двух изолированных друг от друга коаксиальных внешнего и внутреннего электродов с плазмоводом, обращенным в сторону потенциального электрода ППТ. Электроды инжектора подключены к импульсному источнику питания. Внешний электрод, связанный с плазмоводом, изолирован от заземленного электрода ППТ. Инжектор содержит систему импульсного напуска газа в кольцевой межэлектродный зазор.
Инжектируемая вдоль оси устройства плазма формируется в плазменный слой, заполняющий радиальный межэлектродный промежуток ППТ, посредством установленных навстречу потоку плазмы отражателей. Формируемый слой является достаточно однородным, однако при такой установке инжектора относительно ППТ возникает ряд недостатков.
В данном устройстве плазменный инжектор расположен в коаксиальном ППТ вдоль оси вакуумной камеры, занимая рабочее пространство между потенциальным электродом ППТ и торцом камеры. Это делает невозможным размещение нагрузки ППТ непосредственно за плазменным токовым каналом. Такое размещение нагрузки является целесообразным для низкоиндуктивного подключения нагрузки ППТ, обеспечивающего выполнение условия эффективной передачи энергии индуктивного накопителя в нагрузку, особенно при условии использования нескольких ППТ. Кроме того, при ином подключении нагрузки ППТ ток, передаваемый в нагрузку, не участвует в поддержании магнитного поля в зоне плазменного токового слоя, что ухудшает качество срабатывания ППТ. Помимо этого, поскольку плазмовод инжектора связан (непосредственно или через плазму) с потенциальным электродом ППТ, плазменный инжектор ППТ по прототипу подвержен воздействию высоковольтных импульсов (единиц мегавольт), возникающих в момент срабатывания ППТ, что делает необходимым наличие электроизоляции от «земли» плазменного инжектора и его батареи питания. Все это приводит к снижению надежности и удобства эксплуатации, в том числе возможностей компоновки нагрузки и плазменного инжектора в составе узла ППТ, усложняет установку в целом.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей устройства, улучшение его характеристик, оптимизация конструкции плазменного инжектора, обеспечивающая повышение эффективности работы ППТ, упрощение установки с использованием предлагаемого узла.
Технический результат заключается в повышении надежности, удобства эксплуатации инжекторного узла в составе ППТ, в увеличении возможных вариантов компоновки узлов ППТ.
Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного инжекторного узла плазменного прерывателя тока (ППТ) коаксиального типа, включающего соединенный с вакуумной камерой ППТ с образованием общего вакуумного объема коаксиальный газоплазменный инжектор, содержащий изолированные друг от друга коаксиальные внешний и внутренний электроды, подключенные к импульсному источнику питания и связанные с системой импульсного напуска газа в кольцевой межэлектродный зазор инжектора, а также систему формирования плазменного слоя в межэлектродном промежутке ППТ посредством осесимметричного отражателя, в предлагаемом инжекторном узле внутренний электрод плазменного инжектора гальванически связан с корпусом вакуумной камеры, установлен коаксиально потенциальному электроду ППТ, охватывая его снаружи, с образованием межэлектродного промежутка ППТ, объединяя при этом функции заземленного электрода одновременно как для ППТ, так и для инжектора, отражатель размещен в межэлектродном зазоре инжектора, во внутреннем электроде инжектора в области вывода радиального плазменного слоя в межэлектродный промежуток ППТ выполнено окно.
Гальваническое соединение внутреннего электрода инжектора с корпусом вакуумной камеры ППТ и его размещение коаксиально потенциальному электроду ППТ с охватом этого электрода, обеспечивающее образование межэлектродного промежутка ППТ, в сочетании с заявляемыми особенностями размещения отражателя в межэлектродном зазоре инжектора и выполнением окна во внутреннем электроде инжектора в области вывода радиального плазменного слоя в межэлектродный промежуток ППТ, позволяет одновременно функционально объединить заземленный электрод инжектора и ППТ. В прототипе функцию заземленного электрода в ППТ и в инжекторе выполняли разные изолированные друг от друга электроды, что негативно влияло на надежность и функциональность системы согласно недостаткам прототипа. В результате функционального объединения заземленного электрода ППТ и инжектора реализуется экранировка плазменного инжектора от высоковольтных импульсов, возникающих при срабатывании ППТ. Помимо этого, при данном размещении электродов инжектора, остается свободной от конструктивных элементов и устройств зона внутри плазменной камеры между высоковольтным (потенциальным) электродом ППТ и торцом корпуса камеры, удобная для размещения нагрузки ППТ. Все это в совокупности обеспечивает надежность, удобство эксплуатации инжекторного узла в составе ППТ и расширяет его функциональные возможности с точки зрения компоновки.
На чертеже схематично изображен инжекторный узел в составе коаксиального ППТ, где 1 - плазменный дисковый слой, 2 - потенциальный электрод ППТ - катод ППТ, 3 - общий заземленный электрод ППТ и инжектора - одновременно анод ППТ и внутренний электрод инжектора, 4 - вакуумная камера ППТ, 5 - высоковольтный (внешний) электрод плазменного инжектора, 6 - отражатель, 7- плазменный токовый канал, 8 - импульсный источник питания, 9 - зона размещения нагрузки ППТ, 10 - окно вывода плазмы.
В соответствии с чертежом плазменный дисковый слой 1 в зазоре ППТ между катодом (потенциальный электрод ППТ) 2 и анодом (общий заземленный электрод) 3 вакуумной камеры ППТ 4 формируется аналогично прототипу, т.е. путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока кольцевой конфигурации, распространяющегося в цилиндрическом коаксиальном газонаполненном инжекторе после подачи напряжения от импульсного источника питания 8 на электроды 3 и 5 инжектора, в радиальную в направлении от внешнего электрода инжектора 3 к потенциальному электроду ППТ 2 с образованием плазменного слоя ППТ. Дисковый плазменный слой 1, выводимый через окно 10, формируется в межэлектродном зазоре ППТ с помощью установленного в потоке плазмы на внутреннем электроде инжектора отражателя 6 (представляющего собой одно или несколько отражающих колец). Геометрические и плазменные характеристики созданного дискового плазменного слоя будут определяться режимами работы плазменного инжектора и отражателя.
Работа инжекторного узла реализуется следующим образом. При подаче напряжения с конденсаторной батареи 8 на межэлектродный зазор 3-4 инжектора происходит электрический пробой ионизирующий газ. Образованный плазменный поток под воздействием магнитных сил движется в сторону отражателя 6 и, отражаясь под углом от него, выходит через окно 10, заполняет межэлектродный промежуток ППТ 3-2 в виде дискового плазменного слоя. Далее при коммутации генератора импульсного тока ГИТ генерируемый им импульс электрического тока проходит через созданный плазменный слой, создавая плазменный токовый канал 7, обеспечивающий формирование мощного импульса на нагрузке в случае размещения ее в зоне 9.
Таким образом, описанное размещение предлагаемого устройства в составе ППТ позволяет достичь необходимого технического результата, т.е. повышения надежности работы устройства как следствие его экранировки от высоковольтных сигналов ППТ, удобства эксплуатации плазменного инжектора в составе ППТ, а также увеличения возможных вариантов компоновки узлов ППТ.