ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
PLASMA OPTICAL RADIATION SOURCE

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с управляемой плазмой, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки материалов, при испытаниях материалов, приборов, образцов техники на устойчивость к воздействию светового излучения природных и техногенных факторов.
-6
-1
-3
-2
4
5
3
я
я
Для решения таких задач требуются излучатели с широким диапазоном параметров, с различным спектральным составом излучения и с режимами работы от импульсных, длительностью свечения ~ 10-10с, до непрерывных. В ряде случаев требуется воспроизводить сложную временную форму светового импульса. Например, при исследовании воздействия излучения мощных взрывов требуется воспроизводить две фазы излучения: короткую и яркую (длительность свечения τ ~ 10-10 с, яркостная температура T ~ 10-10 К) фазу, обусловленную свечением ударной волны, и длительную (τ ~ 1 с, Т ~ 10 К) фазу свечения продуктов взрыва.
Направление развития плазменных излучателей определяется тремя задачами: достижение высоких яркостей, получение интенсивных световых потоков и увеличение полной энергии излучения. В настоящее время каждая из этих задач решается, но по отдельности. Так, увеличение длительности не представляет особой сложности в непрерывных источниках. При этом реализуемые яркости и площади излучающих поверхностей невелики (стационарно горящие дуги). Импульсные источники с большими размерами излучающей поверхности и значительными длительностями световых импульсов (термохимические генераторы, плазменные струи, истекающие в воздух) обладают невысокими яркостями. Сравнительно высокими яркостями обладают излучатели с малыми поверхностями (искра, капиллярный разряд, магнитоплазменный компрессор) и короткими световыми импульсами (ударные волны, искровые разряды, слойный импульсный разряд).
Известен плазменный источник излучения [Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ. 1986. Т.2. №5, с.837], включающий источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, размещенный в корпусе и укрепленный на нем формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и магнитной катушки, последовательно включенной в цепь питания разрядного узла, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, установленных под углом 90° ко дну лотка, дно и стенки лотка покрыты плазмообразующим материалом, например полиформальдегидом, в открытых торцах лотка расположены металлические электроды, между которыми на дне лотка размещен инициатор разряда в виде полоски алюминиевой фольги, а магнитная катушка выполнена в виде плоских широких шин, проходящих под дном лотка и соединенных между собой и разрядным каналом так, что ток в шинах и в разрядном канале протекает в одном направлении, причем межэлектродный промежуток разрядного канала является частью витка магнитной катушки. Сквозные отверстия в боковых стенках лотка служат также, как и открытые торцы, стоками нарабатываемой эрозионной плазмы.
Плазменный источник излучения такой конструкции с последовательным включением разрядного узла и магнитной катушки является эффективным излучателем лишь в области максимума разрядного тока, когда магнитное и газовое давление в плазме выравниваются, и происходит стабилизация разряда. Основным недостатком данной конструкции является возможность работы только в импульсном режиме.
8
Известен выбранный нами в качестве прототипа плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК Н05Н 1/50, приор. 20.10.2008], включающий источник питания в виде тиристорного выпрямителя, формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и узла создания прижимающего магнитного поля в виде электромагнита, при этом разрядный узел выполнен в виде установленного в зазоре сердечника электромагнита лотка из диэлектрического материала с покрытием из термостойкого материала на основе соединений легкоионизуемых элементов, с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, в открытых торцах лотка расположены электроды из графита, соединенные между собой инициатором разряда.
эл
полн
эл
полн
2
4
Такое устройство с блоком питания в виде тиристорного выпрямителя позволяет получать плазму с излучением, близким к излучению абсолютно черного тела (АЧТ) в течение длительного времени. Яркостная температура и площадь излучающей поверхности в этом устройстве определяются из соотношения: W=IR=σТS, где W - вкладываемая в плазменный канал электрическая мощность, I - ток разряда, R - омическое сопротивление плазменного канала, σ -постоянная Стефана-Больцмана, S - площадь всей поверхности плазмы. Из уравнения баланса следует, что
c
где ρ - удельное сопротивление плазмы, S - площадь сечения плазменного канала.
Удельное сопротивление плазмы рассчитывается по формуле Спитцера:
Здесь Λ - кулоновский логарифм
е
Z - зарядовое число, n - концентрация электронов.
я
4
5
4
6
Расчеты показывают, что при габаритах плазменного канала 8×2×1 см, реализованных в устройстве-прототипе, для получения Т на уровне 10 - 5·10 К требуются разрядные токи I~10-10 А. В прототипе токи такой величины получить невозможно, поэтому существующая конструкция устройства не позволяет одновременно получать высокие пиковые яркости и большую энергию излучения, т.е. воспроизводить световые импульсы сложной формы.
Заявленный нами плазменный источник светового излучения позволяет создать высокоэффективный универсальный плазменный излучатель, который может работать в импульсном режиме с высокой яркостью, в квазинепрерывном режиме с большой энергией излучения, а также в комбинированном режиме, воспроизводящем сложную форму светового импульса с высокой пиковой яркостью, большой энергией излучения и значительной площадью излучающей поверхности.
Такой технический эффект достигнут нами, когда в плазменном источнике светового излучения, включающем источник питания, выполненный в виде тиристорного выпрямителя, и формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и узла создания прижимающего магнитного поля в виде электромагнита, причем разрядный узел выполнен в виде установленного в зазоре сердечника электромагнита лотка из диэлектрического материала с покрытием из термостойкого материала на основе соединений легкоионизуемых элементов с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, в открытых торцах которого расположены электроды из графита, новым является то, что в него дополнительно введены второй источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, генератор запускающих импульсов, управляемый разрядник и выполненный из тугоплавкого металла третий электрод, установленный между торцевыми электродами и соединенный через управляемый разрядник с плюсовым выводом емкостного накопителя, при этом заземленные выводы тиристорного выпрямителя и высоковольтного емкостного накопителя соединены с одним из торцевых электродов разрядного узла, плюсовой вывод тиристорного выпрямителя соединен со вторым торцевым электродом, третий электрод и заземленный торцевой электрод соединены инициатором разряда, а генератор запускающих импульсов связан с управляемым разрядником и тиристорным выпрямителем.
На фиг.1 представлена электрическая схема заявленного плазменного источника светового излучения, где заземленный торцевой электрод 1, инициатор 2 разряда, плюсовой электрод 3 емкостного накопителя, торцевой электрод 4, соединенный с плюсовым выводом тиристорного выпрямителя, емкостной накопитель 5, управляемый разрядник 6 емкостного накопителя, тиристорный выпрямитель 7, генератор запускающих импульсов 8.
На фиг.2 «а» показан эскиз разрядного узла формирователя излучающей плазмы со стороны боковой стенки, а на фиг.2 «б» - со стороны торцевого электрода, где заземленный торцевой электрод 1, плюсовой электрод 3 емкостного накопителя, торцевой электрод 4, соединенный с плюсовым выводом тиристорного выпрямителя, боковая стенка 8 со сквозными отверстиями.
На фиг.3 показана фотография макета разрядного узла формирователя излучающей плазмы, где заземленный торцевой электрод 1, инициатор 2 разряда в виде полоски алюминиевой фольги, плюсовой электрод 3 емкостного накопителя, торцевой электрод 4, соединенный с плюсовым выводом тиристорного выпрямителя.
-3
На фиг.4 в логарифмическом масштабе приведена зависимость тока I (ось ординат), протекающего в разрядном узле, от времени t (ось абсцисс). Амплитуда тока, создаваемого высоковольтным емкостным накопителем в импульсной фазе работы плазменного источника излучения, составляет 80 кА, длительность - 3·10 с. Амплитуда тока, создаваемого тиристорным выпрямителем в квазинепрерывной фазе работы плазменного источника излучения, составляет 5 кА, длительность - 0.25 с.
я
На фиг.5 «а» приведена зависимость яркостной температуры Т (ось ординат) от времени t (ось абсцисс), на фиг.5 «б» - зависимости энергетической светимости W и поверхностной плотности энергии излучения Е (оси ординат) от времени (ось абсцисс) в спектральной области Δλ=300÷1100 нм в импульсной фазе работы плазменного источника излучения.
я
На фиг.6 «а» приведена зависимость Т (ось ординат) от времени (ось абсцисс), на фиг.6 «б» - зависимости W и Е (оси ординат) от времени (ось абсцисс) в Δλ=300÷1100 нм в квазинепрерывной фазе работы плазменного источника излучения.
Устройство работает следующим образом.
Универсальный плазменный излучатель создается при использовании дугового разряда эрозионного типа. Известно, что дуговой разряд эрозионного типа, управляемый магнитным полем, не имеет ограничений на вводимую электрическую мощность и способен осуществлять полную стабилизацию плазменного канала. В качестве устройства, создающего прижимающее магнитное поле, нами выбран электромагнит с сердечником (не показан), благодаря чему в зазоре сердечника удается относительно малыми токами в сотни ампер создать пространственно-однородное магнитное поле с высокой индукцией. Выводы обмотки электромагнита подключаются к отдельному тиристорному выпрямителю (не показан). Благодаря этому появляется возможность независимо от тока разряда регулировать индукцию магнитного поля в лотке и управлять мощностью излучения разряда путем регулирования величины пондеромоторного давления в плазме. Полярность подключения обмотки электромагнита выбирается таким образом, чтобы возникающее в зазоре сердечника магнитное поле с индукцией  создавало пондеромоторную силу  направленную так, чтобы канал разряда прижимался ко дну лотка. Величина индукции магнитного поля
где В - индукция магнитного поля, А/м; Р - пондеромоторное давление в плазме разряда (Па); I - сила тока (A); a b - ширина лотка (м), выбирается такой, чтобы пондеромоторное давление в плазме разряда в начале формирования разрядного канала сдерживало расширение плазменного слоя, а затем обеспечивало необходимую степень приближения излучения плазмы к излучению абсолютно черного тела. Подходы к выбору степени приближения излучения плазмы к излучению абсолютно черного тела известны.
изл
пл
эл
Разрядный узел, выполненный в виде диэлектрического лотка с открытыми торцами (фиг.2, 3), помещают в зазор сердечника электромагнита. В открытых торцах лотка размещаются электроды 1 и 4, а между ними - дополнительный третий электрод 3. Электрод 1 подключают к заземленным выводам мощного тиристорного выпрямителя 7 и высоковольтного емкостного накопителя 5 (фиг.1). Электрод 4 подключают к плюсовому выводу тиристорного выпрямителя 7. Благодаря этому возникает возможность в течение длительного времени пропускать через разрядный канал ток до 5 кА при относительно низком, характерном для дуговых разрядов, напряжении. Протекание тока тиристорного выпрямителя через разрядный канал обеспечивает получение большой световой энергии плазменного источника излучения при относительно невысокой яркости. Электрод 3 подключают к плюсовому выводу высоковольтного емкостного накопителя 5 через управляемый разрядник 6 (фиг.1). Благодаря этому возникает возможность пропускания через разрядный канал импульсного тока в сотни килоампер. Протекание тока высоковольтного емкостного накопителя через разрядный канал обеспечивает получение большой пиковой яркости плазменного источника излучения. При этом, поскольку электроды 3 и 4 электрически не связаны, исключается возможность попадания высокого напряжения емкостного накопителя в низковольтные цепи тиристорного выпрямителя и выход из строя последнего. Электроды 1 и 3 соединяются между собой узкой полоской алюминиевой фольги, служащей инициатором разряда 2. Площадь S излучающей поверхности плазмы разряда, равная произведению длины l расстояния между торцевыми электродами на ширину b лотка, определяется исходя из температуры Т плазмы, светового КПД η разряда и электрической мощности W тиристорного выпрямителя по формуле:
где σ - постоянная Стефана-Больцмана.
Рабочий цикл начинается с подачи напряжения на обмотку электромагнита. После достижения током обмотки значения, выбранного для достижения необходимых параметров магнитного поля, генератор запускающих импульсов 8 подает первый импульс запуска на управляемый разрядник 6 высоковольтного емкостного накопителя 5. После срабатывания разрядника на электроды 1 и 3 подается высокое напряжение от емкостного накопителя 5. Под действием тока разряда емкостного накопителя 5 происходит электрический взрыв инициатора разряда 2 в виде полоски фольги. По образовавшемуся плазменному каналу протекает ток от высоковольтного емкостного накопителя. Под действием джоулева нагрева током емкостного накопителя плазменный канал разогревается и прижимается магнитным полем к дну лотка. Продукты возгонки материала дна и стенок лотка непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют стационарно излучающий слой. Благодаря размещению лотка в зазоре сердечника электромагнита образуется устойчивая во времени и пространстве конфигурация плазменного излучателя.
В качестве плазмообразующих материалов покрытия дна и стенок диэлектрического лотка были выбраны термостойкие керамические материалы на основе соединений легкоионизуемых элементов, таких как Са, Na, Ва, La и др., вследствие чего в плазме образуется повышенная концентрация заряженных частиц и, следовательно, увеличивается излучательная способность и мощность излучения плазмы. Кроме того, благодаря использованию плазмообразующих материалов разного состава, появляется возможность регулирования спектрального состава излучения. Термостойкие керамические материалы перечисленных типов известны.
Истекающая из промежутка между электродами 1 и 3 плазменная струя достигает электрода 4 и замыкает промежуток между электродами 1 и 4. По прошествии времени, в течение которого емкостной накопитель 5 разряжается до напряжения, меньшего или равного рабочему напряжению тиристорного выпрямителя 7, генератор запускающих импульсов 8 подает второй импульс запуска на тиристорный выпрямитель. По замкнутому плазменной струей промежутку между электродами 1 и 4 начинает протекать ток тиристорного выпрямителя.
Управление амплитудой и временной формой светового импульса осуществляют подачей на вход тиристорного выпрямителя 7 управляющих напряжений соответствующей формы. Параметры управляющего напряжения зависят от выбранной схемы.
Пример конкретного исполнения (см. фиг.1-3).
В нашей организации изготовлен макет универсального плазменного излучателя для интенсивного облучения на основе магнитоприжатого разряда.
эл
пл
2
Питание излучателя осуществляется от сетевого тиристорного агрегата 7 (КТЭУ-4000), подключенного к торцевым электродам 1 и 4, и емкостного накопителя 5, емкостью С=0,048 Ф, с зарядным напряжением до 5 кВ, подключенного к заземленному торцевому 1 и среднему 3 электродам. Агрегат КТЭУ-4000 электрической мощностью W=3 МВт обеспечивает на низкоомной нагрузке ток I≈5000 А, напряжение U≈600 В. Такая электрическая мощность при η≈0,1 и Т=6000 К обеспечивает площадь излучающей поверхности МПР примерно 15 см.
пл
5
Линейная плотность тока I/b, способная обеспечить Т=6000 К, составляет ≈ 2,5÷3 кА/см (здесь b - ширина канала разряда). Следовательно, при питании МПР от сетевого тиристорного агрегата КТЭУ-4000 ширина канала разряда может быть b≈2 см и, соответственно, длина L≈8 см. При такой длине канала разряда напряженность электрического поля должна быть Е=U/L≈40 В/см, а индукция внешнего магнитного поля В, прижимающего канал разряда, примерно 8·10 А/м.
-3
Емкостной накопитель способен создать в разрядном промежутке длиной 4 см между торцевым и средним электродами импульс тока амплитудой в сотни килоампер длительностью до 5·10 с. При этом в разрядном промежутке создается плазма с температурой 20000-25000 К с излучением, близким излучению АЧТ.
Токоподводы электромагнита (не показаны) подключены к регулируемому трехфазному сетевому тиристорному выпрямителю (не показан) на 500 А мощностью 250 кВт.
6
3
При токе обмотки I=(450±50) А индукция магнитного поля в зазоре электромагнита шириной 5.5 см составляет (1.3±0.2)·10 А/м. В зазоре электромагнита устанавлены разрядный узел (фиг.2, 3) дно которого изготовлено из керамики, содержащей СаСО, стенки облицованы фиброй. Инициирование разряда осуществляется с помощью электрического взрыва полоски алюминиевой фольги 2 шириной 5-7 мм, толщиной 10-20 мкм, замыкающей промежуток между электродами 1 и 3 при подаче на электроды высокого напряжения от емкостного накопителя 5.
-3
5
2
2
я
Для подтверждения возможности формирования световых импульсов с заданной временной формой с помощью универсального плазменного излучателя проведены испытания с профилированным импульсом разрядного тока (см. фиг.4). Емкостной накопитель 5 в экспериментах заряжали до 3 кВ. Амплитуда тока при разряде накопителя через промежуток между электродами 1 и 3 достигала 80 кА, длительность - 3·10 с (фиг.4). Яркостная температура плазмы Т в импульсной фазе работы универсального плазменного излучателя в видимой области спектра достигала 20000 К, энергетическая светимость W=2.5·10 Вт/см, поверхностная плотность энергии излучения Е=80 Дж/см (фиг.5).
я
3
2
2
В квазинепрерывной фазе работы универсального плазменного излучателя ток разряда, создаваемый тиристорным агрегатом 7, имел величину 5 кА, длительность - 0.25 с (фиг.4), Т=5500 К, W=4·10 Вт/см, Е=700 Дж/см (фиг.6).
Проведенные испытания универсального плазменного излучателя показали, что разряд является эффективным излучателем, способным работать в импульсном режиме с высокой яркостью, в квазинепрерывном режиме с большой энергией излучения и в комбинированном режиме, воспроизводящем сложную форму светового импульса с высокой пиковой яркостью, большой энергией излучения и значительной площадью излучающей поверхности.