ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности, к устройствам с импульсной управляемой плазмой, и может быть использована для решения широкого круга технических задач при испытаниях материалов, приборов, образцов техники на устойчивость к воздействию светового излучения природных и техногенных факторов, в фотохимии и в световых технологиях обработки материалов.
Для решения указанных задач требуются излучатели с высокой яркостью и большой площадью свечения, способные формировать световые импульсы с заданной сложной временной формой в широком диапазоне длительностей и с различным спектральным составом излучения.
В настоящее время для решения этих задач используются различные источники света. Так, для формирования секундных импульсов могут быть применены стационарно горящие дуги. Однако, яркости и площади излучающих поверхностей традиционных дуговых разрядов относительно невелики. Такие импульсные источники, как термохимические генераторы и истекающие в воздух плазменные струи, можно формировать с большими размерами излучающей поверхности. Однако они тоже обладают относительно невысокими яркостями. Обладающие высокими яркостями искровые разряды, капиллярные разряды, магнитоплазменные компрессоры, слойные импульсные разряды, ударные волны, импульсные лампы и т.д., как правило, имеют относительно небольшие излучающие поверхности и способны формировать только относительно короткие световые импульсы.
Наиболее перспективными плазменными источниками светового излучения, удовлетворяющими требованиям решаемой задачи, являются источники на основе сильноточного магнитоприжатого дугового разряда эрозионного типа, который не имеет ограничений на вводимую электрическую мощность и способен осуществлять полную стабилизацию плазменного канала.
Известен плазменный источник светового 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, 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, в открытых торцах лотка расположены металлические электроды, между которыми на дне лотка размещен инициатор разряда, а магнитная катушка выполнена в виде плоских широких шин, проходящих подо 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.
Такой плазменный источник светового излучения позволяет получать излучающую импульсную плазму с достаточно большой площадью излучающей поверхности и со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела, в течение практически всего времени разряда емкостного накопителя. Однако, такой плазменный импульсный источник излучения не является эффективным излучателем вне области максимума разрядного тока, когда магнитное и газовое давление в плазме сильно отличаются по величине. Вследствие этого увеличение длительности свечения такого плазменного источника света в секундную область невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому решению является плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК H05H 1/50, приор. 20.10.2008], включающий управляемый источник питания, 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, в открытых торцах лотка расположены электроды, соединенные между собой инициатором разряда с автономным источником питания.
Такое устройство с управляемым источником питания, например, тиристорным выпрямителем, позволяет получать в течение длительного времени яркую плазму с заданным временным профилем, большой излучающей поверхностью и со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела. Однако, такой плазменный источник светового излучения недостаточно надежен в начальной стадии формирования разряда. В этой стадии, в начале протекания тока источника питания, разряд неустойчив и легко гаснет. Кроме того, на генерируемом импульсе света присутствуют значительные пульсации интенсивности, что негативно сказывается на форме модулирующего светового импульса. Попытка понизить эти пульсации увеличением величины фильтрующей индуктивности источника питания ведет к понижению вероятности включения газового разряда.
Нами предложен мощный, способный работать как в импульсном, так и в квазинепрерывном режиме плазменный источник светового излучения, обладающий повышенными надежностью и КПД при пониженных пульсациях светового излучения.
зад
Такой технический эффект достигается тем, что в плазменном источнике светового излучения, включающем управляемый источник питания, управляющий вход которого через блок управления соединен с синхронизатором, а выход - через разделительный диод с потенциальным электродом формирователя излучающей плазмы, другой электрод которого соединен с корпусом, инициатор, выполненный из проводящего материала и соединенный с одним из электродов формирователя излучающей плазмы, емкостной накопитель энергии, выход которого через управляемый ключ соединен с потенциальным электродом формирователя излучающей плазмы, и дополнительный источник питания, причем формирователь плазмы выполнен в виде установленного в зазоре сердечника электромагнита лотка из диэлектрического материала, а выход дополнительного источника питания соединен с обмоткой электромагнита, новым является то, что в него дополнительно введены включенный между выходом управляемого источника питания и корпусом конденсатор и блок задержки, вход которого присоединен к выходу синхронизатора, а выход - к управляющему электроду управляемого ключа, причем величина временной задержки τ блока задержки определена условием:
, где
L - суммарная выходная индуктивность управляемого источника питания, Гн;
C - емкость дополнительного конденсатора, Ф.
зад
Если необходимо получить максимальный КПД, то выходное напряжение U управляемого источника питания в течение времени задержки τ определено условием:
max
U=U, где
max
U - максимальное выходное напряжение управляемого источника питания, B. (см. п. 2 Формулы).
Если необходимо максимально повысить надежность включения разряда, то величина емкости дополнительного конденсатора определена условием:
min
-1
2
C≥L·(I·U), где
min
I - величина тока, соответствующая минимуму вольт-амперной характеристики магнитоприжатого разряда, A;
U - начальное выходное напряжение управляемого источника питания, B. (см. п. 3 Формулы).
Если необходимо обеспечить воспроизводимость параметров включения разряда, то блок задержки выполнен в виде датчика тока заряда дополнительного конденсатора и компаратора с блоком опорного сигнала, вход которого соединен с входом блока задержки, а выход - с соответствующим входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом датчика тока заряда дополнительного конденсатора, а выход - с выходом блока задержки, (см. п. 4 Формулы).
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного плазменного источника светового излучения, включающего управляемый источник 1 питания, управляющий вход которого через блок 2 управления соединен с синхронизатором 3, а выход соединен через разделительный диод 4 с потенциальным электродом 5 формирователя 6 излучающей плазмы, второй электрод 7 которого соединен с корпусом устройства, инициатор 8, соединенный с одним из электродов формирователя 6, емкостной накопитель 9 энергии, управляемый ключ 10, дополнительный источник 11 питания и электромагнит 12 с лотком 13 формирователя 6 плазмы, конденсатор 14 и блок задержки 15.
На фиг. 2 представлена функциональная схема варианта выполнения блока задержки 15, включающего датчик 16 тока заряда конденсатора 14 и компаратор 17 с блоком 18 опорного сигнала, выход которого соединен с соответствующим входом компаратора 17, второй вход которого соединен с датчиком 16 тока заряда конденсатора 14.
Устройство работает следующим образом.
Задают временную форму импульса управляющего напряжения управляемого источника 1 питания и вводят ее в память блока 2 управления. В исходном состоянии на управляющем входе управляемого источника 1 питания нет управляющего напряжения, и, соответственно, на выходе управляемого источника 1 питания напряжение отсутствует. Емкостной накопитель 9 энергии заряжен до исходного напряжения, величина которого достаточна для электрического пробоя зазора между электродом 5 и инициатором 8 формирователя 6 излучающей плазмы. Однако, на разрядном промежутке между электродом 5 и инициатором 8 этого напряжения нет из-за наличия находящегося в выключенном состоянии управляемого ключа 10. При подаче тока в электромагнит 12 в разрядном промежутке между электродами 5 и 7 формируется магнитное поле требуемой величины и направления. Подходы к решению данной задачи известны.
Для запуска плазменного источника светового излучения подают запускающий импульс из синхронизатора 3 на входы блока 2 управления и блока 15 задержки. Блок 2 управления с приходом запускающего импульса вырабатывает и подает на управляющий вход управляемого источника 1 питания управляющее напряжение, временная форма которого согласована с требуемой временной формой импульса света. На выходе управляемого источника 1 питания появляется напряжение, пропорциональное управляющему. Наличие напряжения на выходе управляемого источника 1 питания ведет к появлению выходного тока управляемого источника 1 питания, которым при непроводящей нагрузке заряжается конденсатор 14. Величина этого тока контролируется выходной индуктивностью управляемого источника 1 питания, вследствие чего его временная форма близка к синусоидальной.
зад
Через определяемый блоком 15 задержки промежуток времени τ импульс синхронизатора 3 поступает также на управляющий вход управляемого ключа 10 и он включается. При включении ключа 10 напряжение заряженного емкостного накопителя 9 энергии прикладывается к разрядному промежутку. Диод 4 предотвращает поступление энергии от емкостного накопителя 9 к выходу управляемого источника 1 питания. Небольшой непроводящий зазор между инициатором 8 и электродом 5 формирователя плазмы 6 пробивается приложенным от емкостного накопителя 9 напряжением. По инициатору 8 начинает протекать электрический ток разряда емкостного накопителя 9. Этим током инициатор 8 разогревается и взрывается. Под действием джоулева нагрева током емкостного накопителя 9 образовавшийся плазменный канал разогревается и прижимается магнитным полем ко дну лотка 13. Продукты возгонки материала дна и стенок лотка 13 непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют излучающий слой. Благодаря размещению лотка 13 в зазоре сердечника электромагнита 12 образуется устойчивая в пространстве конфигурация плазменного излучателя. Таким образом, пары взорвавшегося инициатора 8 на некоторое время, пока идет разряд емкостного накопителя 9 энергии, обеспечивают проводимость между электродами 5 и 7 разрядного устройства 6.
Возникшая проводимость между электродами 5 и 7 разрядного устройства 6 теперь готова принять ток от управляемого источника 1 питания. И поэтому, как только напряжение на разрядном промежутке от емкостного накопителя энергии 9 становится меньше напряжения на конденсаторе 14, диод 4 открывается и ток, ранее заряжавший конденсатор 14, теперь начинает течь по сформировавшейся в разрядном промежутке плазме.
Таким образом, ток управляемого источника 1 питания в газоразрядной нагрузке между электродами 5 и 7 сразу после его инициирования начинает нарастать не от нулевого значения, как это имело место в известных решениях, а от уже достаточно большой величины зарядного тока конденсатора 14. Наличие этого тока управляемого источника 1 питания в его выходной индуктивности к моменту инициирования газового разряда как раз и обеспечивает повышение вероятности включения разряда. При этом принципиально важно, чтобы ток заряда конденсатора 14 в момент инициирования газового разряда был достаточно большим. Нами экспериментально показано, что повышается вероятность устойчивого горения разряда только такими задержками, которые соответствуют моментам времени вблизи максимума тока заряда конденсатора 14. Необходимо в таком случае, чтобы задержка находилась во временных пределах .
Далее управление временной формой светового импульса осуществляется, как и в известных решениях, управляющим напряжением заданной формы на управляющем входе управляемого источника 1 питания.
max
Максимальный ток заряда конденсатора 14 определяется его емкостью. Так, чем больше емкость конденсатора 14, при прочих равных условиях, тем выше и его зарядный ток. Величина тока заряда конденсатора 14 растет также и с ростом выходного напряжения управляемого источника 1 питания. Т.е., поддерживая в течение времени задержки блока задержки 15 максимальным выходное напряжение управляемого источника 1 питания U=U, можно в выходной индуктивности управляемого источника 1 питания обеспечивать к моменту инициации разряда требуемый ток при меньшем значении емкости конденсатора 14. Тем самым не только повышается КПД из-за снижения потерь энергии в дополнительном конденсаторе 14, но и улучшаются массо-габаритные показатели устройства из-за уменьшения габаритов дополнительного конденсатора. (См. п. 2 Формулы)
min
min
min
-1
2
Чем ближе в момент инициирования разряда величина тока в индуктивности управляемого источника 1 питания к значению тока, соответствующего минимуму вольт-амперной характеристики дугового разряда I, тем выше вероятность устойчивого горения формируемого газового разряда. Практически 100% вероятность устойчивого горения разряда следует ожидать в условиях, когда начальный ток больше или равен величине I. В этом случае начальный ток управляемого источника 1 питания при инициировании разряда сразу попадает на восходящий - стабильный - участок вольт-амперной характеристики разряда, что гарантирует максимальную вероятность зажигания разряда. Поскольку, как упоминалось выше, ток заряда конденсатора 14 определяется, в частности, его емкостью, то для достижения максимальной вероятности непогасания разряда достаточно, чтобы величина емкости дополнительного конденсатора 14 соответствовала условию: C≥L·(I·U). (См. п. 3 Формулы)
Выходное напряжение управляемого источника 1 питания в мощных установках обычно не стабилизировано и, поэтому, может меняться в достаточно широких пределах. Воспроизводимая и оптимальная задержка момента инициирования разряда в таких условиях может реализовываться автоматически, если в устройстве блок задержки 15 выполнить в виде датчика 16 тока заряда дополнительного конденсатора 14 и компаратора 17 с блоком 18 опорного сигнала. В исходном состоянии с выхода блока опорного сигнала 18 на соответствующий вход компаратора 17 подается сигнал высокого уровня, превышающий любой сигнал по второму входу компаратора 17. На выходе компаратора 17 соответственно напряжение равно нулю. С приходом запускающего импульса от синхронизатора 3 блок опорного сигнала 18 понижает уровень на входе опорного сигнала компаратора 17 до заданной величины. С этого момента компаратор 17, сравнивает этот опорный сигнал с сигналом с датчика тока конденсатора 14 и выдает импульс включения на управляемый ключ 10 в момент равенства этих сигналов. Опорный сигнал можно установить, например, на 10% (это допустимое отклонение напряжения питающей сети в сторону уменьшения) ниже максимально возможного сигнала с датчика 16 тока заряда конденсатора 14. Таким образом, использование датчика тока с компаратором и блоком опорного напряжения не только автоматизирует процесс выбора величины задержки, но дополнительно стабилизирует начальные условия формирования тока газового разряда. (См. п. 4 Формулы)
5
2
На предприятии был изготовлен макет мощного плазменного источника светового излучения. Питание плазменного источника светового излучения осуществлялось от управляемого источника питания, выполненного на основе промышленного шестипульсного тиристорного выпрямителя КТЭУ-4000 с фильтрующим индуктивным реактором типа СРОСз, индуктивность которого составляла величину около 0,5 мГн. Такой управляемый источник питания с электрической мощностью около 3 МВт позволял получать в низкоомной (50-80 мОм) газоразрядной нагрузке - дуговой эрозионный разряд - импульсы тока с амплитудой до 6000 А при напряжении до 600 В и длительностью в несколько секунд. Минимальное напряжение на разряде составляло величину около 250 В при токе около 2000 А. При меньших напряжениях разряд не существовал. Разрядное устройство в виде лотка с двумя электродами и инициатором из алюминиевой фольги шириной 5-7 мм и толщиной 10-20 мкм с непроводящим участком длиной около 0,5 мм присоединялось к выходу управляемого источника питания через диод Д173-2000. Блоком управления и синхронизации служил персональный компьютер с дополнительным усилителем. В качестве емкостного накопителя был выбран заряженный до напряжения около 2000 В конденсатор К75-100 с емкостью 100 мкФ. В качестве управляемого ключа был выбран игнитрон ИРТ-6. Электромагнит, в зазоре которого было установлено разрядное устройство, питался от другого тиристорного преобразователя ЭКТ-500 мощностью 250 кВт. Ток электромагнита поддерживался на уровне 250 А. Дополнительно введенный конденсатор с емкостью около 25 мФ был установлен на выходе управляемого источника питания. Выдачу задержанного импульса на игнитрон ИРТ-6 обеспечивал тот же персональный компьютер через второй усилитель. Время задержки варьировалось в пределах 5-7 мс. Индукция магнитного поля, прижимающего канал разряда, в зазоре сердечника электромагнита шириной 5.5 см в течение импульса поддерживалась на уровне 8·10 А/м. Указанные параметры управляемого источника питания обеспечили площадь излучающей поверхности дугового магнитоприжатого разряда 16 см (длина 8 и ширина 2 см) в разрядах секундной длительности при температуре плазмы до 6000°K.
2
3
2
В серии пусков разряд надежно поджигался, подхватывая ток управляемого источника питания в момент инициации разряда, и устойчиво горел в течение всей заданной длительности импульса. Не было зарегистрировано ни одного пуска с погасанием дугового разряда в начальной стадии. При яркостной температуре плазмы плазменного источника светового излучения 5500°K в видимой области спектра, энергетическая светимость достигала 700 Дж/см, а поверхностная плотность энергии излучения составляла величину на уровне 4·10 Вт/см.
Помимо повышения надежности устройства было зарегистрировано снижение амплитуды пульсаций на световом импульсе более чем в 3 раза. Величина пульсаций не превышала 3% от максимальной интенсивности светового импульса. Следует отметить также, что в макете емкость емкостного накопителя энергии была существенно понижена по сравнению с известными устройствами (в нашем случае в 14 раз) без увеличения вероятности погасания дугового разряда. Увеличение емкости емкостного накопителя энергии для моделирования короткой первой фазы взрывного процесса также не приводило к повышению вероятности погасания дуги.
Таким образом, проведенные испытания макета плазменного источника светового излучения показали, что как энергетические, так и временные параметры формируемого светового импульса в предложенном устройстве не хуже аналогичных параметров, получаемых в известных устройствах. А по таким параметрам, как надежность включения и качество формы генерируемого импульса света по сравнению с известными устройствами показатели значительно повышены. При этом одновременно было получено некоторое повышение КПД и понижение весо-габаритных параметров за счет уменьшения емкости емкостного накопителя энергии.