КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНИТОПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
COAXIAL MAGNETIC PLASMA ACCELERATOR

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики, а именно к экспериментальной физике и ускорительной технике, и может использоваться для ускорения плазмы до гиперскоростей, а также для получения смеси нанодисперсных порошков титана и меди, а также и соединений: оксидов, нитридов и др. путем распыления материала гиперскоростной плазменной струи в свободном пространстве.
Известен коаксиальный ускоритель (патент РФ №2150652, МПК7 F41B 6/00, опубл. 10.06.2000 г.), который состоит из коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершины центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки.
Недостатком данного устройства является неравномерность электроэрозионного износа по длине ствола, обусловленная повышением эрозии на начальном участке ствола длиной 40-50 мм, что при многократном использовании ствола может привести к обгоранию начального участка ствола и невозможности его дальнейшего использования.
Наиболее близким к заявленному ускорителю является коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, выбранный в качестве прототипа (патент РФ на полезную модель №61856, F41B 6/00, опубл. 10.03.2007 г.), выполненный в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола. Вершины центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной.
Недостатком прототипа является отсутствие в шихте, получаемой при распылении электроэрозионной плазмы в затопленное пространство камеры реактора, связующего пластичного компонента, являющегося необходимым при прессовании порошкообразных материалов.
Задачей изобретения является получение шихты сверхтвердых порошкообразных материалов на основе титана, в состав которой введен связующий пластичный компонент из меди.
Поставленная задача достигается за счет того, что коаксиальный магнитоплазменный ускоритель выполнен так же, как в прототипе, в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего титанового ствола. Внутри ствола размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленного от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом титанового ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки, длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной.
Согласно предложенному решению внутри цилиндрического титанового ствола в начальной его части размещена цилиндрическая медная вставка длиной, не превышающей четверть длины титанового ствола, причем в конечной части медной вставки выполнены пропилы, составляющие не более 85% ее длины.
За счет использования медной вставки на начальном участке ствола происходит электроэрозионная наработка нанодисперсного порошка меди, а за счет выполнения пропилов уменьшается отрицательный экранирующий эффект, привносимый медной вставкой. Выбор длины медной вставки определен необходимым соотношением компонентов шихты.
На чертеже изображен коаксиальный магнитоплазменный ускоритель.
Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель состоит из цилиндрического электропроводящего титанового ствола 1, центрального электрода 2, соединяющей их плавкой перемычки 3, состоящей из металлических проволочек, расходящихся от центрального электрода 2 и огибающих торцевую часть изолятора 4 центрального электрода 2. Узел 5 центрального электрода 2, выполненный из магнитного материала (конструкционной стали), сопряжен со стволом 1, укрепляя узел центрального электрода 2 и перекрывая зону размещения плавкой перемычки 3. Длина части, перекрывающей зону размещения плавкой перемычки 3, составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид 6 выполнен за одно целое с фланцем 7 и цилиндрической частью 8, в которой размещен узел 5 центрального электрода 2. Соленоид 6 укреплен резьбовой заглушкой 9. Соленоид 6 снаружи укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 10 и стянут мощными токопроводящими шпильками 11 между фланцем 7 и стеклопластиковым упорным кольцом 12. Токопроводящие шпильки 11 электрически соединены токопроводящим кольцом 13, а к токопроводящим шпилькам 11 присоединен шинопровод 14 внешней схемы электропитания. Второй шинопровод 15 схемы электропитания присоединен к центральному электроду 2. К шинопроводу 15 последовательно присоединены ключ 16 и конденсаторная батарея 17, связанная с шинопроводом 14. Внутри цилиндрического титанового ствола 1 в начальной его части размещена цилиндрическая медная вставка 18. В конечной части медной вставки выполнены пропилы, составляющие не более 85% ее длины. Длина медной вставки 18 не превышает четверть длины титанового ствола.
Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа 16 в контуре электропитания ускорителя начинает протекать ток от конденсаторной батареи 17, по шинопроводу 14, токопроводящему кольцу 13, шпилькам 11, фланцу 7, виткам соленоида 6, узлу 5, стволу 1, медной вставке 18, плавкой перемычке 3, центральному электроду 2, шинопроводу 15, через ключ 16 и к конденсатору 17. При достижении нарастающим током i(t) некоторого уровня плавкая перемычка 3 взрывается с образованием сильноточного дугового разряда. Начальная форма плазменной структуры задается конфигурацией и расположением проволочек плавкой перемычки 3, а также наличием цилиндрического канала в изоляторе 4 центрального электрода 2. Плазма сильноточного разряда сжимается магнитным полем собственного тока, магнитным полем соленоида и приобретает грибообразную форму. В устройстве конусообразная часть узла 5 центрального электрода перекрывает зону размещения плавкой перемычки 3 и формирования плазменной структуры, экранирует эту зону в течение некоторого времени и исключает вращение грибообразной плазменной перемычки, уменьшая эрозию ствола на его начальном участке.
Генерируемая ускорителем импульсная гиперзвуковая плазменная струя выходит в пространство камеры реактора, происходит распыление материала, наработанного электроэрозионным путем с внутренней поверхности медной вставки и титанового ствола, и формирование нанодисперсных частиц сверхтвердого материала, при заполнении камеры реактора соответствующим реагентом.
Предложенное устройство испытано в следующих условиях: емкость конденсаторной батареи 17 составляет 48 мФ, ее зарядное напряжение ≤4,0 кВ, длина титанового ствола 275 мм, диаметр титановой части ствола 1 21 мм, диаметр медной вставки 17 мм, длина медной вставки составляла четверть длины титановой части ствола, камера реактора заполнена азотом при давлении 1,0 атм. В результате такого эксперимента получена шихта нанодисперсного порошка нитрида титана с включением распределенных частиц меди.