СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ В ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВКАХ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА

Полезная модель относится к сильноточной импульсной технике и может быть использована в ускорителях заряженных частиц и в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов, рентгеновского излучения и т.д., а конкретно, в плазменных системах коаксиального типа, связанных с формированием плазменных слоев, например, в плазменных прерывателях тока (ППТ) или ускорителях прямого действия с плазменным анодом.
Известна система формирования пространственного распределения плазменного слоя [Patent US №4707637 (1987)], содержащая группу связанных с источником питания плазменных инжекторов (инжектор плазмы), размещенных на корпусе коаксиальной плазменной установки. Инжекторы установлены радиально с образованием единого вакуумного объема с внутренним объемом корпуса установки. Поток плазмы инжектируется через отверстия в корпусе в межэлектродное пространство плазменной установки, где разлет плазмы ничем не ограничен. Система формирования такого типа используется в плазменных прерывателях тока (ППТ) и в узле плазменного анода в ускорителях корпускулярных потоков.
Недостатком такой системы формирования является уменьшение плотности и полной массы плазмы при транспортировки ее в рабочий зазор плазменной установки по сравнению с теми же параметрами плазмы на выходе из инжектора за счет расширения инжектируемого плазменного потока как в аксиальном, так и в азимутальном направлениях. Следствием этого является снижение эффективности использования энергии накопителей, питающих плазменные инжекторы. Данные недостатки приводят к нестабильной работе ППТ или плазменного анода.
th
Наиболее близкой к заявляемой системе является система формирования пространственного распределения плазменного слоя [B.V.Weber, J.R.Boiler, R.J.Commisso, P.J.Goodrich, J.M.Grossmann, D.D.Hinshelwood, J.C.Kellogg, D.Mosher, J.M.Neri, and P.F.Ottinger. Plasma erosion opening switch development at NRL. 7 IEEE International Pulsed Power Conference Monterey, California, 1989, pp.268-271], содержащая, по меньшей мере, два плазменных инжектора, радиально размещенных на
2 корпусе коаксиальной плазменной установки и подсоединенных к источнику питания. Инжекторы образуют вакуумную камеру с внутренним объемом корпуса установки и обеспечивают формирование в межэлектродном зазоре плазменного слоя. Они связаны на выходе в межэлектродное пространство с размещенными на корпусе и обращенными в область вакуумной камеры проводящими элементами в форме колец (кольцевыми элементами), ограничивающими разлет плазмы в аксиальном направлении.
Недостатком такой системы формирования является уменьшение плотности и полной массы плазмы в рабочем зазоре плазменной установки относительно тех же параметров плазмы на выходе инжектора, что связано с расширением инжектируемого плазменного потока в образованный кольцами балластный объем межэлектродного пространства и из-за наличия азимутальной составляющей направления плазменного потока. Это приводит к снижению эффективности использования энергии накопителей, питающих плазменные инжекторы (источников питания), и, в конечном итоге, влияет на эффективность работы ППТ и плазменного анода.
При разработке полезной модели решается задача повышения эффективности работы плазменной установки. Технический результат состоит в повышении эффективности использования плазменных инжекторов и соответственно источников питания, к которым они подключены. Результат выражается в снижении потерь при транспортировке плазмы в межэлектродное пространство и, как следствие, в сохранении плотности и полной массы плазмы в рабочем зазоре плазменной установки относительно тех же параметров на выходе инжектора без увеличения мощности плазменных инжекторов. Дополнительный результат заключается в повышении азимутальной однородности плазменного слоя.
Технический результат достигается в отличие от известной системы формирования пространственного распределения плазменного слоя в плазменных установках коаксиального типа, включающей установленные на корпусе с возможностью инжекции плазменного потока в межэлектродное пространство установки, по меньшей мере два подсоединенных к источнику питания, образующих вакуумную камеру с внутренним объемом корпуса инжектора плазмы, и соответственно связанных с двумя размещенными на корпусе проводящими кольцевыми элементами, ограничивающими в аксиальном направлении плазменный поток, инжектируемый в межэлектродное пространство установки, в предлагаемой системе на выходе плазменных инжекторов установлены проводящие рупоры, формирующие плазменный поток.
Рупор может быть выполнен в форме, задающей азимутальную составляющую направления плазменного потока. В частности, рупор может иметь эллиптическое или прямоугольное выходное сечение.
0
0
Выходное сечение рупора может быть расположено на расстоянии 1вых меньшем или равном  от места пробоя межэлектродного промежутка инжектора плазмы, где μ - магнитная постоянная; I - амплитуда тока, протекающего через инжектор; r - средний радиус межэлектродного промежутка инжектора плазмы; ρ - плотность газа в межэлектродном промежутке инжектора плазмы; ω - частота колебания тока, протекающего через инжектор.
А также, в системе в качестве инжектора плазмы может быть использован коаксиальный газоплазменный инжектор.
При инжекции плазмы в межэлектродное пространство коаксиальной плазменной установки с помощью инжекторов с кольцевыми ограничителями (кольцевые элементы, ограничивающие в аксиальном направлении плазменный поток) слоя происходит расширение плазменного потока в азимутальном направлении в балластный объем, образуемый этими ограничителями. За счет внутреннего давления плазма расширяется, заполняя весь ограниченный кольцевыми элементами объем. Это приводит к уменьшению плотности и полной массы плазмы в рабочем зазоре плазменной установки относительно тех же параметров, характеризующих плазму на выходе инжектора. Следствием чего является неэффективное использование энергии накопителей, питающих плазменные инжекторы. А формируемый при этом в плазменной установке ограниченный в аксиальном направлении, но азимутально-неоднородный плазменный слой приводит к нестабильной работе коаксиальных систем и ухудшению их выходных параметров.
В заявляемом случае, дополнение кольцевых ограничивающих элементов, единых для нескольких плазменных инжекторов, элементами, формирующими плазменный поток, в форме проводящих рупоров, непосредственно продолжающих выход инжектора, для каждого из инжекторов, позволит сформировать направленные непосредственно в рабочий зазор межэлектродного пространства плазменные потоки. При этом потери энергии плазмы на бесполезные для формирования плазменного слоя в рабочем зазоре области межэлектродного пространства существенно снижаются. Сформированный в этом случае плазменный слой будет характеризоваться при той же мощности плазменных инжекторов в результате суммирования направленных плазменных потоков в рабочем зазоре сохраненной плотностью и полной массой
относительно тех же параметров на выходе инжекторов, что свидетельствует о повышении эффективности использования энергии источников питания плазменных инжекторов.
Выполнение рупора в форме, задающей азимутальную составляющую направления плазменного потока, позволит наряду с повышением эффективности использования энергии источников питания инжекторов повысить относительную однородность пространственного распределения плазменного слоя в аксиальном и азимутальном направлениях, а также позволит создать слой заданных размеров.
В качестве варианта реализации предлагаемой формы может быть предложен рупор с эллиптическим или прямоугольным выходным сечением. Подбором угла раствора рупора и апертуры его выходного сечения можно задать соответственно аксиальный и радиальный размеры сплошного квазиоднородного азимутального плазменного слоя. При равенстве площадей поперечного сечения на выходе плазменного инжектора и выходного сечения рупора сохраняется средняя плотность плазмы. То есть, подбором геометрии сечений системы инжектор - рупор можно добиться изменения плотности плазмы.
Наиболее удобным для заявляемой системы с точки зрения согласования с рупором может быть выбор в качестве инжектора плазмы коаксиального газоплазменного инжектора. Преимущества инжектора данного типа связаны с его способностью при малых размерах генерировать достаточно плотные потоки плазмы.
вых
Использование элемента в форме рупора из проводящего материала позволяет формировать плазменный поток в активном режиме при условии: выходное сечение рупора расположено на расстоянии l меньшем или равном  места пробоя межэлектродного промежутка инжектора плазмы.
При данных условиях, предварительно определяемых для выбранного типа инжектора плазмы, ток, протекая через плазму в области рупора, трансформирует давление в плазменном потоке, что приводит к растяжению плазменного потока в направлении большой оси и сжатию в направлении меньшей. Однородность плазмы повышается по сравнению с электрически пассивным рупором.
На фигуре схематично изображена система формирования пространственного распределения плазменного слоя в составе плазменного прерывателя тока (ППТ), где
1 - катод ППТ,
2 - корпус коаксиальной плазменной установки,
3 - ограничительные металлические кольцевые элементы,
4 - металлические рупоры с эллиптическим выходным сечением,
5 - инжекторы плазмы,
6 - источники питания инжекторов,
7 - плазменный слой.
Система формирования плазменного слоя установлена на корпусе коаксиальной плазменной установки (2), образующем межэлектродное пространство с катодом (1), таким образом, что шесть плазменных инжекторов (5), подсоединенных к источнику питания (6), связаны с соответствующими проводящими элементами, ограничивающими плазменные потоки от инжекторов, в форме металлических кольцевых элементов (3) и формирующих плазменные потоки внутри образованного кольцевыми элементами объема проводящих рупоров (4), непосредственно продолжающих выходы инжекторов. Плазменные инжекторы образуют с внутренней объемом корпуса установки вакуумную камеру. Рупоры выполнены в форме, задающей азимутальную составляющую направления плазменного потока.
-4
В конкретном случае, источником питания инжекторов служили конденсаторные батареи. Вакуумная камера была вакуумирована до давления, не превышающего 2·10 мм. рт. ст. Формирующий плазменный поток элемент представлял собой насаженный на выход соответствующего инжектора металлический рупор с эллиптическим выходным соплом (задающим азимутальную составляющую плазменного потока), имеющим круглое сечение диаметром 40 мм со стороны подсоединения к плазменному инжектору и эллиптическое выходное сечение с размерами 30 мм×55 мм. Плазменным инжектором в системе служил коаксиальный газоплазменный инжектор, подобный инжектору, описанному в статье В.В.Боровков, К.И.Алмазова, Е.П.Волков и. др. Исследование газонаполняемого инжектора плазменного прерывателя тока. ЖТФ. 2003. Т.73. В.4. С.38-42.
Система работает следующим образом. После включения источника питания (6) в каждом инжекторе плазмы (5) развивается сильноточный разряд и формируется плазменный поток. Образовавшиеся синхронизованные плазменные потоки через рупоры (4) впрыскиваются в межэлектродное пространство корпус (2)-катод (1) установки, ограниченное кольцевыми элементами (3). В рабочем зазоре образуется плазменный слой (7) со сформированным пространственным распределением.
вых
Проводящие рупоры на коаксиальных плазменных инжекторах имеют эллиптическое выходное сечение, которое находится на расстоянии l=11 см от места пробоя межэлектродного промежутка плазменного инжектора. Это соответствует
0
0
-7
2
2
5
-2
-4
3
6
-1
условию , где μ=4π·10 кг·м/с·А, I=1,2·10 A, r=1.5·10 м, ρ=2.32·10 кг/м, ω=0.45·10 рад·с. Таким образом, плазменный поток формируется в активном режиме работы рупора. А именно, ток, протекая через плазму в области рупора, трансформирует давление в плазменном потоке и приводит к растяжению плазменного потока в направлении большой оси и сжатию в направлении меньшей. В результате в рабочем зазоре установки формируется сплошной квазиоднородный плазменный слой с аксиальным и радиальным размерами примерно 3 см и 4 см соответственно. Плотность и полная масса плазмы за счет равенства площадей поперечного сечения на выходе плазменного инжектора и выходного сечения рупора сохраняется. Эффективность использования энергии накопителей, питающих плазменные инжектора, повышается в 1,8 раза по сравнению с прототипом.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет достичь технического результата. В коаксиальной плазменной установке сформирован с заданным пространственным распределением квазиоднородный плазменный слой за счет выбора формы и расположения элементов, ограничивающих и формирующих плазменный слой, в системе плазменных инжекторов. Результат состоит в повышении эффективности их использования без увеличения мощности источников питания.