СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ Российский патент 1997 года по МПК H05H5/03 H05H1/00 H05H1/24 

Изобретение относится к высоковольтной технике, в частности к формированию импульсов в нагрузке, например в ускорительной трубке, и может быть использовано в установках для генерирования мощных импульсов тормозного излучения и электронных пучков.

Известны способы получения плазмы на катоде и аноде ускорительной трубки для увеличения токоотбора с катода и формирования электронного пучка в промежутке катод-анод с требуемыми параметрами (1). Получение плазмы на катоде ускорительной трубки в этом случае осуществляется при пробое по поверхности диэлектрика напряжением, формируемым за счет емкостного деления потенциала при подаче рабочего (основного) импульса. Однако этот способ не позволяет регулировать время образования плазмы на катоде относительно времени подачи основного импульса. Данный факт существенно ограничивает возможности и условия формирования электронного пучка в промежутке катод-анод.

Известен способ (2) получения плазмы при помощи разряда на поверхности диэлектрика, который выбран в качестве прототипа изобретению. В нем разряд инициируется подачей высоковольтного импульса от автономного источника питания перед проходом основного (рабочего) импульса. Время между подачей инициирующего импульса и основного определяется в основном конструкцией источника плазмы, параметрами рабочего импульса и требованиями к электронном пучку.

К техническим недостаткам прототипа относится невозможность использования предлагаемого способа при высоких рабочих напряжениях (> 0,5 МВ), т.к. в случае подачи основного импульса напряжения на катод возникают сложности по защите источника инициирования плазмы по данному способу, требуется специальная аппаратура дополнительный источник питания и схема синхронизации, регулирующая время между моментом инжекции плазмы (пробоя по диэлектрику) и формированием основного импульса.

Таким образом, изобретение направлено на решение задачи по упрощению способа получения плазмы на электродах (катоде и аноде) ускорительной трубки и ее регулирование. Технический результат при решении этой задачи выражается в упрощении реализации способа исключении из конструкции дополнительного источника питания и схемы синхронизации, в возможности использования способа получения плазмы при высоких рабочих напряжениях (U > 0,5 МВ) без усложнений защиты источника инициирования плазмы.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения плазмы в ускорительной трубке с помощью электрического разряда по поверхности диэлектрика, заключающемся в приложении к диэлектрику, разделяющему катод и промежуточный электрод, "запускающего" высоковольтного импульса напряжения с последующей регулируемой во времени подачей на катод рабочего импульса напряжения, качестве "запускающего" импульса напряжения используют предимпульс рабочего импульса напряжения, сформированный емкостной связью между ускорительной трубкой и источником напряжения при генерации рабочего импульса напряжения, а регулирование параметров плазмы и времени ее образования по отношению к времени подачи на катод рабочего импульса осуществляют за счет изменения емкости между укорительной трубкой и источником напряжения и соотношения емкости, образованной катодом и промежуточным электродом, и емкости, образованной между промежуточным электродом и анодом.

Регулирование времени образования плазмы осуществляют в диапазоне длительности предимпульса, а количество плазмы на катоде определяется энергией предимпульса, затраченной на ее образование. В общем случае оба эти параметра зависят от соотношения емкостей в ускорительной трубке.

На фиг.1,2,3 предложен один из вариантов способа получения плазмы.

Плазма в области катода создается за счет разряда по поверхности диэлектрика емкости C₂, образованной центральным и промежуточным (кольцевым) электродом (см.фиг.3). (Использование промежуточного электрода входит в понятие "катодного узла" для образования емкостей C₁ и C₂). При формировании рабочего импульса за счет емкостей C₃, C₁ и C₂ (см.фиг.1 и 3) на центральном электроде появляется предимпульс напряжения (см. фиг.2, верхний луч), энергию которого предлагается использовать для образования плазмы при пробое по поверхности диэлектрика 4 емкости C₂, напряжение на которой формируется за счет деления напряжения предимпульса по емкостям C₁ и C₂ (см.фиг.3). Регулирование величины предимпульса, времени образования плазмы и ее параметров осуществляется за счет изменения емкости C₃ и соотношения емкостей C₁ и C₂.

Изменение величины предимпульса напряжения на ускорительной трубке может быть достигнуто за счет изменения емкости C₃ (изменение зазора в обостряющем разряднике P (фиг.1), постановка дополнительных экранов на обостряющем разряднике и т.п.).

Изменение емкостей C₁ и C₂ (соотношения емкостей C₁ и C₂) обеспечивается изменением зазора катод-анод в ускорительной трубке или изменением конструкции катодного узла (изменением толщины диэлектрика 4 (фиг.3), заменой одного диэлектрика другим).

Пример. На основе предлагаемого способа получения плазмы отработан и введен в эксплуатацию новый режим формирования электронного пучка в промежутке катод-анод ускорительной трубки. На фиг.1 приведена электрическая схема генератора импульсного напряжения (ГИН) с совмещенным емкостным и индуктивным накопителями энергии, где:
C емкостной накопитель энергии;
L_н индуктивный накопитель энергии;
ЭВП электровзрывающиеся проводники;
Р обостряющий разрядник;
УТ ускорительная трубка.

На фиг. 2 (верхний луч) представлена осциллограмма рабочего напряжения на ускорительной трубке. Условно осциллограмму можно разбить на два участка:
предимпульс длительностью до t 2 мкс и максимальной величиной до 0,9 МВ. Предимпульс сформирован за счет емкостных связей между источником и нагрузкой;
основной (рабочий) импульс с длительностью на полувысоте 0,15 мкс и величиной до 6 МВ.

На фиг. 3 приведена конструкция катодного узла. Рабочее напряжение (предимпульс и основной импульс) подается на центральный электрод 1 катодный шток. Конструкция катодного узла образует две емкости:
емкость C₂ образована центральным 1 и промежуточным 2 электродами;
емкость C₁ образована промежуточным электродом 2 и анодом 3.

При формировании в ГИН рабочего напряжения на ускорительной трубке за счет емкостной связи появляется предимпульс напряжения, который распределяется по емкостям C₁ и C₂ (см. фиг.3). Плазма на катоде образуется за счет пробоя по поверхности диэлектрика 4 емкости C₂ (см. фиг.3. Количество плазмы, образованной на катоде, определяется временем пробоя емкости на предимпульсе (в данном случае в диапазоне 0.2 мкс).

На фиг.2 (нижний луч) представлена осциллограмма напряжения на ускорительной трубке при пробое емкости C₂. Видно, что величина предимпульса практически равна нулю и вся энергия предимпульса затрачена на образование плазмы. За время предимпульса плазма заполняет промежуток катод-анод и определяет условия формирования электронного пучка при подаче основного импульса.

Для эффективного регулирования условий формирования электронного пучка в промежутке катод-анод необходимо исключить появление плазмы на других участках катодного узла или, если это не удается, исключить контакт плазмы, образованной на катоде (на поверхности диэлектрика) с плазмой от других источников, т. е. между источниками плазмы должен быть промежуток протяженностью
l 2V_п • t,
где V_п (2.4) • 10⁶ см/с скорость дрейфа плазмы;
t время от момента образования плазмы до прихода основного импульса.

На ускорителе ИГУР-3 эта проблема решена использованием в конструкции катодного узла диэлектрического корпуса 5 (см. фиг. 3) требуемых размеров.

На ускорителе ИГУР-3 использование данного способа позволило осуществить фокусировку электронного пучка на аноде ускорительной трубки до диаметра приблизительно 5 мм (был примерно 150.200 мм). Ток пучка примерно 50 кА, максимальная энергия электронов 6 Мэв. При этом мощность дозы тормозного излучения в области фокусировки пучка была увеличена примерно в 15 раз и достигла приблизительно 10¹³ р/с, что существенно расширило возможности проведения исследований.

Т.о. использование вышеописанного способа позволило практически без затрат и использования дополнительных устройств получать плазму на катоде УТ во время действия предимпульса, регулировать количество плазмы и как следствие осуществить фокусировку электронного пучка на аноде ускорительной трубки ускорителя ИГУР-3.

Использование: в высоковольтной технике - в установках для генерирования мощных импульсов тормозного излучения и электронных пучков. Сущность изобретения: плазму получают с помощью электрического разряда по поверхности диэлектрика, подавая на последний "запускающий" высоковольтный импульс с последующим, регулируемым по времени, приложением рабочего импульса. В качестве "запускающего" импульса используют предимпульс рабочего напряжения на катоде ускорительной трубки, образованный за счет емкостных связей последней и источника напряжения при формировании рабочего импульса. Регулирование параметров плазмы и времени ее образования по отношению к приходу рабочего импульса осуществляют за счет изменения соотношений емкости, образованной катодом и промежуточным электродом, и емкости, образованной между промежуточным электродом и анодом, а также за счет изменения емкости между ускорительной трубкой и источником напряжения. 3 ил.

Способ получения плазмы в ускорительной трубке с помощью электрического разряда по поверхности диэлектрика, заключающийся в приложении к диэлектрику, разделяющему катод и промежуточный электрод, "запускающего" высоковольтного импульса напряжения с последующей регулируемой во времени подачей на катод рабочего импульса напряжения, отличающийся тем, что в качестве "запускающего" импульса напряжения используют предимпульс рабочего импульса напряжения, сформированный емкостной связью между ускорительной трубкой и источником напряжения при генерации рабочего импульса напряжения, а регулирование параметров плазмы и времени ее образования по отношению к времени подачи на катод рабочего импульса осуществляют за счет изменения емкости между ускорительной трубкой и источником напряжения и соотношения емкости, образованной катодом и промежуточным электродом, и емкости, образованной между промежуточным электродом и анодом.