КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНИТОПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники и электрофизики низкотемпературной плазмы, а именно к ускорительной технике и может быть использована для генерирования сверхзвуковых струй электроэрозионной плазмы и получения ультрадисперсных твердых материалов, в частности порошков карбидов, оксидов и интерметаллидов на основе меди.
Известен коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (Сивков Α.Α., Корольков В.Л., Сайгаш А.С. Нанесение медного покрытия на алюминиевые контактные поверхности с помощью магнитоплазменного ускорителя. // Электротехника, №8, 2003, с. 41-46), который состоит из коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, выполненного из меди, 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 вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из прочного магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки.
Недостатком этого устройства является низкая механическая прочность медного цилиндрического ствола с внутренним диаметром d=10-15 мм и толщиной стенки 1-2 мм, не выдерживающая высоких давлений, возникающих в ускорительном канале при разрядных токах 150 кА, мощностью разряда 150 МВА и выделяющейся энергии 40 кДж. Повышение механической прочности за счет увеличения толщины стенки ускорительного канала до 5 мм является нецелесообразным, так как приводит к увеличению поперечной электропроводности стенки ствола, усилению экранирования ускорительного канала и сильно уменьшает проникание внешнего магнитного поля соленоида в ускорительный канал. Это в свою очередь значительно снижает электроэрозионную наработку материала с поверхности ускорительного канала и эффективность использования электромагнитной энергии (Сайгаш А.С., Сивков А.А., Герасимов Д.Ю., Шарипов P.P., Привезенцев СИ. Влияние внешнего магнитного поля на электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала коаксиального магнитоплазменного ускорителя // Электротехника, №12, 2006, с. 32-37.).
Наиболее близким к заявленному ускорителю является коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, выбранный в качестве прототипа (RU 2431947 C1, МПК H05H 11/00 (2006.01), F41B 6/00 (2006.01), опубликовано 20.10.2011 г.), который состоит из коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка из порошкообразного углеродного материала, электрически соединяющая начало цилиндрического ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена через токоведущие шпильки к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида через корпус центрального электрода электрически соединен с началом ствола. Вершина центрального электрода, начало цилиндрического ствола, и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического ствола. Корпус 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. Цилиндрический ствол ускорителя выполнен в виде внутреннего и внешнего токопроводящих цилиндров, коаксиально расположенных один в другом и электрически связанных по всей поверхности сопряжения. Центральный электрод выполнен по длине составным из наконечника и хвостовика. Внутренний цилиндр и наконечник выполнены из графита. Внешний цилиндр выполнен из прочного немагнитного металла, а хвостовик выполнен из конструкционного металла с высокой электропроводностью.
Недостатками этого ускорителя являются:
- низкая механическая прочность и растрескивание внутреннего графитового цилиндра ствола, ограничивающая энергетику процесса до 40 кДж, скорость плазменной струи, давление и температуру в скачке уплотнения головной ударной волны;
- относительно высокое удельное сопротивление графита, высокое продольное сопротивление стенки графитового ствола, ограничивающее ток разряда I, глубину перемещения плазменной структуры по ускорительному каналу, величину ускоряющей пандеромоторной силы Лоренца:
,
где L' - погонная индуктивность ствола, эффективность ее работы и скорости плазменной струи;
- исключение возможности получения потоков плазмы порошкообразных карбидов, оксидов и интерметаллидов на основе меди.
Задачей полезной модели является получение ультрадисперсных порошков карбидов, оксидов и интерметаллидов на основе меди и увеличение механической стойкости ствола при величине подведенной энергии более 40 кДж.
Поставленная задача достигается за счет того, что в коаксиальном магнитоплазменном ускорителе, выполненном в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало цилиндрического ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена через токоведущие шпильки к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида через корпус центрального электрода электрически соединен с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало цилиндрического ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического ствола. Корпус 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. Цилиндрический ствол ускорителя выполнен в виде внутреннего и внешнего токопроводящих цилиндров, коаксиально расположенных один в другом и электрически связанных по всей поверхности сопряжения, а центральный электрод выполнен по длине составным из наконечника и хвостовика. Внешний цилиндр выполнен из прочного немагнитного металла, а хвостовик выполнен из конструкционного металла с высокой электропроводностью.
Согласно предложенному решению, внутренний цилиндр ствола, наконечник центрального электрода и плавкая перемычка выполнены из меди.
Таким образом, использование материала внешнего цилиндра с меньшей электропроводностью, чем электропроводность внутреннего цилиндра, выполненного из меди дает минимальное экранирование, вследствие чего обеспечивается максимальная наработка и выход ультрадисперсного порошкообразного материала карбидов, оксидов и интерметаллидов на основе меди, и обеспечение необходимой прочности ствола коаксиального ускорителя.
5
Получение плазмы, требуемого химического состава, достигается за счет того, что внутренний цилиндр ствола, наконечник центрального электрода и плавкая перемычка выполнены из меди. Предельно высокие скорости плазменной струи достигаются за счет использования максимально возможных в конкретных условиях токов электропитания порядка 10 А. Возможность использования таких токов достигается за счет выполнения внешнего цилиндра ствола из прочного материала с меньшей электропроодностью, который обеспечивает:
- сохранность внутреннего цилиндра, в ускорительном канале которого возникает высокое давление;
- максимально возможное проникание внешнего магнитного поля соленоида в ускорительный канал, обеспечивающее стабилизацию устойчивого состояния сильноточного разряда типа Z-пинч на большей длине ускорительного канала, повышая эффективность работы силы Лоренца по ускорению и эффективность электроэрозионной наработки материала с поверхности ускорительного канала.
На фиг. 1 изображен коаксиальный магнитоплазменный ускоритель.
Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель состоит из цилиндрического электропроводящего ствола, выполненного из двух электропроводящих цилиндров, внутреннего цилиндра 1, выполненного из меди и внешнего цилиндра 2, выполненного из прочного немагнитного материала, с меньшей электропроводностью, например из нержавеющей стали, и центрального электрода, состоящего из наконечника 3, выполненного из меди, и хвостовика 4, выполненного из конструкционного металла, например, стали, латуни и т.п. Ствол и центральный электрод соединены электрически плавкой перемычкой 5, выполненной из меди. Центральный электрод отделен от цилиндрического электропроводящего ствола изолятором 6. Корпус 7 выполнен из магнитного материала и сопряжен с внешним металлическим цилиндром 2, и перекрывает зону размещения плавкой перемычки 5. Длина части, перекрывающей зону размещения плавкой перемычки 5, составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид 8 выполнен за одно целое с фланцем 9 и цилиндрической частью 10, в которой размещен корпус 7, и укреплен резьбовой заглушкой 11. Соленоид 8 укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 12 и стянут мощными токопроводящими шпильками 13 между фланцем 9 и стеклопластиковым упорным кольцом 14. Токопроводящие шпильки 13 электрически соединены токопроводящим кольцом 15, а к токопроводящим шпилькам 13 присоединен шинопровод 16 внешней схемы электропитания. Второй шинопровод 17 схемы электропитания присоединен к хвостовику 4. Ко второму шинопроводу 17 последовательно присоединены ключ 18, и конденсаторная батарея 19, связанная с шинопроводом 16.
Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа 18 в контуре электропитания ускорителя начинает протекать ток от конденсаторной батареи 19 по шинопроводу 16, токопроводящему кольцу 15, шпилькам 13, фланцу 9, виткам соленоида 8, корпусу 7, внешнему металлическому цилиндру 2, внутреннему цилиндру 1, плавкой перемычки 5, наконечнику 3, хвостовику 4, второму шинопроводу 17, ключу 18 и конденсаторной батарее 19. При этом плавкая перемычка 5 разогревается и ее материал переходит в плазменное состояние с образованием дугового разряда. Конфигурация плазменной структуры типа Z-пинч с круговой плазменной перемычкой задается формой плавкой перемычки 5 и наличием цилиндрического канала в изоляторе 6. Далее плазма разряда сжимается магнитным полем собственного тока и аксиальным полем соленоида 8 и существует в ускорительном канале в виде удлиняющегося Z-пинча с круговой плазменной перемычкой на конце, через которую ток переходит на цилиндрическую поверхность медного ускорительного канала, в процессе ускорения плазменной перемычки под действием силы Лоренца.
-3
зар
ук
ст
m
Предложенное устройство испытано в следующих условиях: емкость конденсаторной батареи 19 С=12·10Ф; зарядное напряжение U=3,0 кВ; диаметр ускорительного канала во внутреннем цилиндре 1 d=15 мм; толщина стенки цилиндра 2 мм; длина ствола l=160 мм. При амплитуде импульса тока I=150 кА и подведенной энергии W=56,0 кДж был получен ультрадисперсный порошок на основе меди в количестве 20 г., а также обеспечено увеличение механической стойкости ствола.