ПЛАЗМЕННЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H05H1/00 H05H1/02 

Изобретение относится к мощной импульсной технике и может быть использовано при создании генераторов импульсов высокого напряжения тераваттной мощности для питания сильноточных ускорителей заряженных частиц, Z-пинчевых нагрузок и т.д.

Известен плазменный прерыватель тока (ППТ), содержащий источник импульса тока, подключенный к двум протяженным электродам, разделенным изолятором, которые совместно с этим изолятором образуют вакуумный межэлектродный промежуток, нагрузку в виде вакуумного или плазменного диода, подключенную к электродам, и по меньшей мере один плазменный инжектор, расположенный на одном из электродов [1] (Meger R.A., Commisso R.J., Cooperstein G., Goldstein S. A., "Vacuum inductive store/pulse compression experiments on a high power accelerator using plasma opening switches", Appl. Phys. Lett., 1983, v. 42, N 11, p. 943-945). В этом ППТ плазменные инжекторы были выполнены на основе отрезка кабеля. В инжекторах плазма создавалась посредством поверхностного разряда вдоль изоляции кабеля между его проводниками. Изолятор кабеля плазменных инжекторов был выполнен из органического полимера и покрывался перед каждым импульсом слоем спиртовой суспензии графита. Разряд в таких инжекторах осуществлялся при подаче на кабели от конденсаторной батареи импульса высокого напряжения амплитудой 25 кВ. Подробно конструкция, принцип работы и характеристики плазменных инжекторов, применявшихся в ППТ [1], описаны в [2] (Mendel C.W., Zagar D.M, Mills G.S. et al., "Carbon plasma gun". Rev. Sci. Instrum., 1980, v. 51, N 12, p. 1641-1644).

Принцип действия ППТ основан на накоплении энергии тока в индуктивном накопителе энергии (ИНЭ), роль которого выполняет замкнутый контур: источник импульса тока ---> один из протяженных электродов ---> плазма, сформированная в межэлектродном промежутке одним или несколькими плазменными инжекторами ---> другой протяженный электрод ---> источник импульса тока, и передаче накопленной энергии из ИНЭ в нагрузку при резком возрастании сопротивления плазмы.

Недостатками известного ППТ являются, во-первых, необходимость покрытия поверхности изоляторов плазменных инжекторов суспензией перед каждым импульсом, что исключает работу ППТ в частотном режиме, и, во-вторых, слишком высоким является отношение амплитуды импульса напряжения, подаваемого на плазменные инжекторы, к амплитуде напряжения, развиваемой между электродами ППТ при подаче импульса тока в ИНЭ (25 кВ/800 кВ), что говорит о высокой энергетической цене создания плазмы в известном ППТ.

Наиболее близким к предлагаемому решению является ППТ, описанный в [3] (Renk T.J., "Flashboards as a plasma source for plasma opening switch applications", J. Appl. Phys., 1989, v. 65, N 7, p. 2652-2663) и содержащий так же, как и [1], источник импульса тока, подключенный к двум протяженным электродам, разделенным изолятором, которые совместно с этим изолятором образуют вакуумный межэлектродный промежуток, нагрузку в виде вакуумного или плазменного диода, подключенную к электродам, и по меньшей мере один плазменный инжектор, расположенный на одном из электродов и работающий на основе поверхностного разряда вдоль полимерного диэлектрика. Этот ППТ выбран нами за прототип.

Конструкция плазменных инжекторов в [3] была следующей: на тонкую диэлектрическую пленку (использовался каптон - kapton, DuPont Corporation) наносился проводящий слой из металла (медь) в виде рисунка, определяющего систему тонких электродов. При подаче на них импульса напряжения амплитудой 23-30 кВ по поверхности диэлектрика, свободной от проводящего покрытия, развивался поверхностный разряд, который и был источником плазмы в ППТ.

Недостатком ППТ [3] является слишком высокое отношение амплитуды импульса напряжения, подаваемого на плазменные инжекторы, к амплитуде напряжения, развиваемой между электродами ППТ при подаче импульса тока в ИНЭ (23 кВ/1500 кВ), что также говорит о высокой энергетической цене создания плазмы в известном ППТ.

В связи с этим задачей является уменьшение указанного выше отношения, что позволит в свою очередь увеличить КПД установки.

Техническим результатом предлагаемого решения является существенное уменьшение необходимой амплитуды импульса, подаваемого на электроды плазменных инжекторов поверхностного разряда при сохранении плотности и объема создаваемой ими плазмы. При этом снижается энергетическая цена создания плазмы и увеличивается КПД ППТ.

Этот результат достигается тем, что известный ППТ содержит источник импульса тока, подключенный к двум протяженным электродам, разделенным изолятором, которые совместно с этим изолятором образуют вакуумный межэлектродный промежуток, нагрузку в виде вакуумного или плазменного диода, подключенную к электродам, и по меньшей мере один плазменный инжектор, расположенный на одном из электродов и работающий на основе поверхностного разряда вдоль диэлектрика, и в отличие от известного в предлагаемом ППТ в качестве диэлектрика в плазменном инжекторе используется сегнетоэлектрик.

Сегнетоэлектрик, являясь диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости ε (более 1000), концентрирует электрическое поле вблизи тройных точек "электрод плазменного инжектора - сегнетоэлектрик - вакуум" (увеличение поля примерно в раз), чем снижается порог возникновения поверхностного разряда. При этом плотность и объем создаваемой плазмы при существенно меньшем значении амплитуды напряжения на электродах плазменных инжекторов в предлагаемом ППТ практически не отличаются от плотности и объема плазмы в известном ППТ.

Пример выполнения предлагаемого коаксиального ППТ с плазменными инжекторами типа [2] показан на фиг. 1. На фиг. 2 показана примерная конструкция предлагаемого ППТ на основе полосковой линии с плазменными инжекторами типа [3] . Возможные рисунки электродов на поверхности сегнетоэлектрика показаны на фиг. 3а, б.

ППТ содержит: 1 - анод, 2 - катод, 3 - высоковольтный электрод плазменного инжектора, 4 - изолятор плазменного инжектора, 5 - нагрузка.

Коаксиальный ППТ (фиг. 1) содержит цилиндрический катод 2 и коаксиально охватывающий его цилиндрический анод 1. Плазменные инжекторы, которых может быть в ППТ несколько, выполнены в виде коаксиальных двухэлектродных источников плазмы. Их высоковольтные электроды 3 отделяются от анода 1 ППТ, являющегося одновременно заземленным электродом плазменных инжекторов, изоляторами 4, выполненными из сегнетоэлектрика. В качестве материала изолятора может быть выбрана сегнетоэлектрическая керамика, например титанат бария.

Нагрузкой 5 в ППТ может служить вакуумный или плазменный диод.

ППТ на основе полосковой линии (фиг. 2) содержит параллельно установленные анод 1 и катод 2. Плазменные инжекторы представляют собой сегнетоэлектрические пластины, на поверхности котороых с помощью металлизации нанесен рисунок электродной системы. Металлизация при этом может быть осуществлена вжиганием или напылением электродов. Один из электродов металлизации является высоковольтным электродом 3 плазменных инжекторов. С другого края пластины электрод металлизации заземлен вместе с анодом 1 ППТ. На сегнетоэлектрической пластине, которая служит изолятором плазменного инжектора 4, может содержаться еще некоторое количество промежуточных электродов, снижающих порог поверхностного пробоя в плазменных инжекторах. Возможные рисунки металлизации показаны на фиг. 3а, б.

Работает предлагаемый ППТ следующим образом. От источника высокого напряжения подается импульс на электроды 3 плазменных инжекторов. По поверхности изоляторов 4 (сегнетоэлектрик) развивается поверхностный разряд, который является источником плазмы. Под действием сил магнитного давления в цепи плазменных инжекторов плазма движется к катоду 2 и замыкает цепь ИНЭ: катод ---> плазма ---> анод ---> источник тока. С этого момента с источника тока подается импульс тока для накопления энергии. В максимуме тока в результате образования двойного слоя в плазме ее сопротивление резко возрастает и импульс высокого напряжения подается в нагрузку.

Для образования поверхностной плазмы вдоль поверхности сегнетоэлектрического изолятора достаточно импульса напряжения всего 1...5 кВ. Таким образом, замена полимерного изолятора (ε ≈ 2...5) в известном ППТ на сегнетоэлектрик, например титанат бария (ε ≈ 1600), позволит снизить отношение амплитуды импульса напряжения, подаваемого на плазменные инжекторы, к амплитуде напряжения, развиваемой между электродами ППТ при подаче импульса тока в ИНЭ, примерно в 20...30 раз.

Изобретение относится к мощной импульсной технике и может быть использовано при создании генераторов импульсов высокого напряжения тераваттной мощности для питания сильноточных ускорителей заряженных частиц, Z-пинчевых нагрузок и т. д. ППТ содержит источник импульса тока, подключенный к двум протяженным электродам, разделенным изолятором, которые совместно с этим изолятором образуют вакуумный межэлектродный промежуток, нагрузку в виде вакуумного или плазменного диода, подключенную к электродам, и по меньшей мере один плазменный инжектор, расположенный на одном из электродов и работающий на основе поверхностного разряда вдоль диэлектрика, а в качестве диэлектрика в плазменном инжекторе используется сегнетоэлектрик. Технический результат: существенное уменьшение необходимой амплитуды импульса, подаваемого на электроды плазменных инжекторов поверхностного разряда при сохранении плотности и объема создаваемой ими плазмы, при этом снижается энергетическая цена создания плазмы и увеличивается КПД ППТ. 3 ил.

Плазменный прерыватель тока, содержащий источник импульса тока, подключенный к двум протяженным электродам, разделенным изолятором, которые совместно с этим изолятором образуют вакуумный межэлектродный промежуток, нагрузку в виде вакуумного или плазменного диода, подключенную к электродам, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, расположенный на одном из электродов и работающий на основе поверхностного разряда вдоль диэлектрика, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика в плазменном инжекторе использован сегнетоэлектрик.