УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/54 

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к устройствам для ускорения заряженных частиц, и может быть использовано, в первую очередь, для обработки высокоэнергетическими плазменными потоками металлических поверхностей с целью повышения таких их характеристик как чистота поверхности, микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, усталостная прочность и др. а также для генерации мощных импульсов фотонного и корпускулярных излучений.

Известны устройства, в которых для ускорения плазмы используются импульсные сильноточные газовые разряды, например, плазменный ускоритель [1] Они состоят из двух коаксиальных электродов, подключенных к высоковольтному источнику электрической энергии и закрепленных с одного торца на изоляторе. Инициирование разряда после подачи на электроды высокого напряжения происходит вдоль поверхности этого изолятора. Образовавшаяся плазма ускоряется электродинамическими силами вдоль электродов.

Известен также ускоритель плазмы [2] который содержит соосно установленные электроды, выполненные в виде двух полых цилиндров, и центральный электрод (проводник) размещенный вдоль оси симметрии ускорителя. Электроды разделены изоляторами и подключены к высоковольтному источнику электрической энергии. Коаксиальный ускорительный канал ускорителя плазмы содержит систему инициации газоразрядной плазмы (первая ступень) и систему электромагнитного ускорения плазмы (вторая ступень) и систему электромагнитного ускорения плазмы (вторая ступень).

При подаче на электроды первой ступени высокого напряжения происходит пробой газа по поверхности изолятора и формируется токово-плазменная оболочка (ТПО). После подачи высокого напряжения на электроды второй ступени ТПО под действием электродинамических сил, возникающих в результате взаимодействия тока, протекающего через плазменный слой с собственным магнитным полем, начинает ускоряться в сторону открытого торца канала, выталкивая и ионизируя рабочий газ.

Напряжение на электродах во время ускорения ТПО определяется импедансом разрядной системой и растет по мере увеличения скорости ТПО, поэтому для достижения высоких скоростей плазмы и воспроизводимости результата от цикла к циклу требуется обеспечить достаточно высокую энергетическую прочность межэлектродного промежутка позади ускоряемой плазмы.

Однако вследствие больших тепловых потоков на поверхность изолятора в начальной фазе разряда и инерционности тепловых процессов, после ухода ТПО из начальной части ускорительного канала в межэлектродный объем поступает значительное количество пара материала изолятора с адсорбированным рабочим газом. Ионизируясь под действием излучения ускоряемой ТПО, это среда становится электропроводящей и, таким образом, создаются условия для формирования шунтирующих токовых каналов (токов утечки), снижающих межэлектродную разность потенциалов. Кроме того, в месте соединения изолятора с внутренним электродом коаксиала, где имеется большой градиент электрического поля, инициируются вторичные пробои, нарушающие режим ускорения основной ТПО.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка и, таким образом, на повышение интегральной мощности разряда, выходной скорости плазмы и стабильности работы ускорителя.

С этой целью электроды ускорителя плазмы выполнены в виде двух полых соосных цилиндров, расположенных с зазором между их торцами, который служит для инициирования газового разряда, а ускорительный канал, заполняемый рабочим газом, образован электродами и коаксиально расположенным электрически нейтральным проводником, закрепленным на изоляторе. Благодаря тому, что начальный пробой газа происходит не по поверхности изолятора, электрическая прочность межэлектродного промежутка на фазе ускорения ТПО оказывается существенно выше, чем в известном ускорителе плазмы, что проявляется в снижении токов утечки и вероятности вторичных пробоев.

На приведенном чертеже схематически изображен предлагаемый ускоритель плазмы.

Цилиндрические соосные электроды 1, торцы которых расположены с некоторым зазором друг относительно друга, подсоединены к источнику высокого напряжения, включающему конденсаторную батарею 2 и управляемый разрядник 3. Внутренний проводник 4 расположен по оси системы и перекрывает по длине зазор между электродами. Обратный токопровод 5 выполнен в виде ряда штырей, расположенных симметрично относительно оси системы, к которым с помощью фланца 6 крепится второй электрод. Первый электрод, внутренний проводник и обратный токопровод крепятся на диэлектрической пластине 7, являющейся фрагментом вакуумной камеры 8. Отверстия 9 в диэлектрической пластине служат для подачи рабочего газа.

Объем ускорительного канала ограничен электродами 1, проводником 4 и пластиной 7. После заполнения его рабочим газом на электрод 1 с помощью разрядника 3 подается высокое напряжение, вызывающее пробой газа в межэлектродном промежутке. В результате формируется кольцевая ТПО, которая под действием электромагнитных сил сжимается к оси системы аналогично тому, как это происходит в хорошо известном зет-пинче. В дальнейшем межэлектродный промежуток становится непроводящим из-за присутствия в нем скрещенных электрического и магнитных полей, в которых остаточная плазма может дрейфовать только в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полям, то есть к оси системы. Ток по внутреннему проводнику 4 начинает протекать только после того, как сжимающаяся к оси ТПО достигнет его поверхности. При этом исходная ТПО расщепляется и формируются две замыкающие электрическую цепь ТПО, в которых токи направлены радиально и противоположно друг другу. Соответственно противоположно направлены и электромагнитные силы, действующие на каждую из ТПО. В результате одна ТПО ускоряется в сторону открытого торца канала, как в известном ускорителе плазмы, а другая движется в сторону закрытого пластиной 7 торца, а другая движется в сторону закрытого пластиной 7 торца, выполняя пассивную функцию проводящего элемента токовой цепи.

Источники информации
1. Marshall I.Phys.Fluids, 1960, v. 3, N.1, p. 134.

2. Гришин С. Д. и др. Плазменные ускорители. М. Машиностроение, 1983. с. 121, рис. 5.4 (прототип).

Использование: в плазменной технике, а более конкретно в устройствах для ускорения заряженных частиц, и может быть использовано, в первую очередь, для обработки высокоэнергетичными плазменными потоками металлических поверхностей, а также для генерации мощных импульсов фотонного и корпускулярных излучений. Сущность изобретения: повышение мощности разряда, выходной скорости плазмы и стабильности работы ускорителя плазмы, содержащего электроды, подключенные к высоковольтному источнику электрической энергии, инициирующий газоразрядный промежуток и коаксиальный ускорительный канал, достигается следующим. Электроды ускорителя выполнены в виде двух полых соосных цилиндров, расположенных с зазором между их торцами, который служит для инициирования газового разряда. Ускорительный канал образован электродами и коаксиально расположенным электрически нейтральным проводником. 1 ил.

Ускоритель плазмы, содержащий соосно установленные электроды, выполненные в виде двух полых цилиндров и подключенные к высоковольтному источнику электрической энергии, центральный проводник, образующий вместе с электродами коаксиальный ускорительный канал с инициирующим газоразрядным промежутком, отличающийся тем, что электроды последовательно расположены вдоль центрального электрически изолированного проводника с зазором между их торцами, служащим инициирующим газоразрядным промежутком.