ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Электродинамический плазмеииый формирователь
импульсов напряжения
Полезная модель относится к мощной импульсной электрофизике и может быть использована при создании устройств формирования импульсов для источников напряжения тераваттной мощности, для питания Z-пинчевых натрузок, сильноточных ускорителей заряженых частиц и т. д.
Известен плазменный формирователь импульсов напряжения I {Павловский А. И. и др., Взрывной размыкатель импульсного тока, а.с. № 490381, Н 01 Н 39/00, опубл. БИ № 39, 1976). Устройство основано на разрущении плазменного канала па ребристой преграде энергией взрывчатого вещества (ВВ). Плазмообразующий элемент выполнен в виде диэлектрической пленки с напыленным слоем металла, соединяющим тоководы. Плазмообразующий элемент отделен от ребристой преграды небольщим зазором. Под действием продуктов взрыва плазма канала вытесняется в пазы ребристой преграды, и проводящий канал многократно разрывается. Из-за больщого сопротивления продуктов взрыва, по которым протекает ток после разрыва канала, ток быстро уменьщается. Развитию вторичного пробоя при нарастании напряжения, возникающего в момент разрыва канала, препятствует высокая плотность прод ктов взрыва.
Педостатком данного плазменного формирователя напряжения является ограничение по мощности и напряжению передаваемого в нагрузку импульса, связанное с использованием ВВ и ограничением
Н 77/10
разгона плазмы.
Наиболее близким к заявляемому устройству является электродинамический плазменный формирователь импульсов напряжения 2 {Силин В.П., Быстрое М.Н., Сильноточный быстродействующий коммутатор, а.с. № 497652, Н 01 Н 77/06, опубл. БИ № 48, 1975). Электродинамический плазменный формирователь импульсов напряжения содержит источник импульса тока, пару тоководов, разрушаемый элемент и ребристую преграду с ребрами, обращенными к разрущаемым элементу. Разрущаемый элемент выполнен в виде низкоомной фольги, масса и сечение которой выбираются из условий нагрева в процессе коммутации до точки плавления. Фольга движется к ребристой преграде электродинамическим способом под действием магнитного давления. Фольга отделена от ребристой преграды небольшим зазором.
Недостатком данного формирователя является ограничение по мощности и напряжению передаваемого в нагрузку формируемого импульса, связанное с параметрами фольгового разрушаемого элемента.
Нри создании данной полезной модели рещалась задача обоснования создания достаточно надежного формирователя импульсов для источников терраватной мощности.
Техническим результатом предлагаемого рещения является увеличение мощности и напряжения, передаваемого в нагрузку формируемого импульса.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным электродинамическим плазменным формирователем импульсов напряжения, содержащим источник импульса тока, тоководы, разрущаемый элемент и ребристз-то преграду с ребрами, обращенными к разрущаемому элементу, новым является то., что формирователь дополнительно содержит разгонную камеру, разрущаемый
3
iC/l-f
элемент выполнен плазмообразующнм, ребра преграды выполнены одинаковой или разной высоты с образованием профиля наружной поверхности, повторяющей профиль плазменной оболочки при подлете ее к ребристой преграде.
Принцип действия предлагаемого формирователя основан на накоплении энергии тока в индуктивном накопителе энергии (Pffl3), роль которого выполняет замкнутый контур: источник импульса тока - один из тоководов - плазменная оболочка, сформированная в межэлектродном промежутке одним или несколькими источниками плазмы - другой токовод - источник импульса тока, ускорении плазменной оболочка возрастающей во времени силой Ампера, разрутпении плазменной оболочки при налетании на ребристую преграду, что приводит к резкому возрастанию сопротивления и передаче при этом накопленной энергии из РШЭ в нагрузку.
Амплитуда импульса напряжения в нагрузке тем выще, чем короче длительность процесса размыкания. Для уменьшения длительности процесса размыкания необходимо добиваться наибольшей скорости плазменной оболочка при подлете ее к ребристой преграде, а также одновременности разрушения различных частей плазменной оболочки.
Так как сила Ампера пропорциональна квадрату силы тока в контуре, то чем больше накопленный ток в ИНЭ, тем больше будет конечная скорость плазменной перемычки. Таким образом, предлагаемый формирователь тем эффективнее, чем больший ток он размыкает.
Известно, что в процессе электродинамического ускорения плазмы ее профиль представляет собой криволинейную выпуклую в направлении ее движения поверхность, причем примыкаюшая к внутреннему тоководу часть плазменной оболочки обычно движется быстрее, чем примыкающая
к внешнему тоководу часть оболочки 3 (BernardА., Cloth Р., Conrads Н. et al, The dense plasma focus - a high intensity neutTon source, Nuclear Instrum. and Meth., 1977, v. 145, p. 191). Это обстоятельство позволяет утверждать, что выполняя ребра преграды одинаковой или разной высоты с образованием профиля наружной поверхности, повторяющей профиль плазменной оболочки при подлете ее к ребристой преграде, можно добиться одновременного разрушения всех частей плазменной оболочки. Это позволит сократить длительность процесса размыкания до минимума и сформировать импульс напряжения в нагрузке максимальной амплитуды.
Укажем, что на стадии ускорения плазменной оболочки и накоплении тока в РШЭ предлагаемое устройство сходно по принципу действия с таким известным устройством, как плазменный фокус 3. Поэтому величина накопленного тока в ИНЭ, конечная скорость плазменной оболочки и концентрация плазмы в ней могут достигать значений, реализуемых в плазменных фокусах.
В связи с этим по аналогии с плазменным фокусом целесообразно, но необязательно для достижения технического результата в предлагаемом формирователе выполнить следугошее:
совместить функции высоковольтного изолятора и плазмообразуешего изолятора в одном и том же элементе конструкции;
расположить протяженные электроды ИНЭ так, чтобы одни из них охватывал плазмообразующий изолятор так, чтобы для создания плазмы использовалась скользяшая разновидность поверхностного разряда, которая обладает пространственной однородностью и малым пробойным напряжением;
обеспечить величину давления газа в разгонной камере , т.е. в области ускорения плазменной оболочки, равной давлению газа, которое обычно
Jue/l-{e i
используется в плазменных фокусах (р  0,1-10 Тор), при этом если давление газа в нагрузке иное (например, нагрузка - вакуумный сильноточный диод, р  W Тор ), то ребристая диэлектрическая преграда может герметично разделять две области с разным давлением газа (области ускорения плазменной оболочки и области нагрузки).
В предлагаемом формирователе исключена необходимость выполнения сложной топологии контура РШЭ с целью предотвращения попадания плазмы в нагрузку
На фиг. 1-3 показано три примера конструктивного выполнения предлагаемого устройства. Эти примеры представляют три варианта выполнения формирователя импульсов. На фиг. 1 изображен заявляемый электродинамический плазменный формирователель импульсов тока плоскопараллельной конфигурации. На фиг. 2 изображено заявляемое устройство коаксиальной конфигурации с осевым движением плазменной оболочки. На фиг. 3 изображено заявляемое устройство дисковой конфигурации с радиально сходящимся движением плазменной оболочки.
Электродинамический плазменный формрфователель импульсов напряжения содержит тоководы 1 и 2, плазмообразующий элемент 3, ребристую преграду 4 с ребрами, обращенными к разрущаемому элементу и разгонную камеру 5. Плазмообразующий элемент выполнен в виде изолятора 3, на поверхности которого формируется плазменная оболочка. Ребра преграды 4 выполнены одинаковой (фиг. 1) или разной (фиг. 2 и фиг. 3) высоты с образованием профиля наружной поверхности, повторяющей профиль плазменной оболочки при подлете ее к ребристой преграде 4. Кроме того устройство содержит источник импульса тока 6, коммутатор 7 и нагрузку 8. На фигурах стрелкой обозначено направление ускорения плазменной оболочки 9.
тока 6 используется конденсаторная батарея, взрывомагнитный или взрывной магнитогидродинамический генератор, который через коммутатор 7 подсоединенный к конпам двух тоководов 1 и 2. Между электродами располагается высоковольтный плазмообразутощий изолятор 3 и ребристая преграда 4, выполненная из изоляционного материала, которая ограничивает движение плазменной оболочки 9. К противоположным концам тоководов 1 и 2 подютючена нагрузка 8, представляющая собой, например, вакуумный взрывоэмиссионный диод или устройство для осуществления Z-пинча. Разгонная камера 5, ограниченна тоководами 1 и 2, плазмообразующим изолятором 3 и диэлектрической ребристой преградой 4 заполнена газом, например, неоном при давлении 1 Тор. Область, ограниченная тоководами 1 и 2, нагрузкой 8 находится под давлением 10 Тор, если нагрузка представляет собой вакуумный взрывоэмиссионный диод.
Работает формирователь следующим образом. Сначала запускается источник импульса тока 6 с помощью коммутатора 7. При поступлении высоковольтного импульса происходит пробой по поверхности плазмообразующего изолятора 3, приводящий к формированию сплошной плазменной оболочки 9, далее начинает возрастать магнитное поле и вызывает отрыв плазменной оболочки 9 от изолятора 3 и ее дальнейшее ускорение. По мере ускоренного движения плазменной оболочки 9 происходит ионизация газа и сгребание ионизованной части газа плазменной оболочкой (так называемый механизм плазменного плуга), что приводит к увеличению концентрации плазмы, увеличению ее проводимости и увеличению тока. Когда скорость плазменной оболочки 9 достигнет необходимой величины, она налетает на ребра преграды 4 и разрушается этими ребрами. Сопротивление плазмы при этом возрастает, напряжение между тоководами 1 и 2 резко увеличивается и передается в
f -7/
нагрузку 8.
Приведем некоторые численные значения физических величин, характеризующих работу заявляемого формирователя :
емкость конденсаторной батареи, в виде которой может быть выполнен источник импульса тока, - 9 мФ;
зарядное напряжение конденсаторной батареи - 15 кВ;
энергозапас конденсаторной батареи - 1 МДж;
концентрация плазмы вблизи плазмообразующего изолятора - 10 см;
концентрации плазмы при подлете оболочки к ребристой префаде 10смнакопленный ток в ИНЭ - 3,5 МА;
скорость полета плазменной оболочки к ребристому изолятору - 2-10 см/с;
толщина плазменной оболочки -1 см;
время размыкания тока - 50 не;
коэффициент обострения мощности в нагрузке - 10-15.
Предложенные физические параметры соответствуют достигнутому уровню развития техники и реализованы кроме  последних выходных параметров, например, в 4 (Filippov N.V., Filippova Т.I., Khytoretskaia I.V. et al, Megajode scale plasma focus as efficient X-ray source, Phys. Lett. A, 1996, V. 211, №3, p. 168). Применение предлагаемого решения позволит создать устройство с выходными параметрами, которые не реализуемы в известных электродинамических плазменных формирователях импульсов напряжения.