ПЛАЗМЕННЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2002 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при создании мощных импульсных источников питания для сильноточных ускорителей заряженных частиц, плазменных диодов, излучающих пинчевых систем и т.п.

Известно, что индуктивные накопители энергии (ИНЭ) являются одним из наиболее рациональных типов накопительной энергии благодаря простоте конструкции, хорошим массогабаритным показателям и более высокой плотности запасаемой энергии по сравнению с емкостными накопителями. Одним из самых важных узлов ИНЭ является коммутатор, работающий как прерыватель тока.

Известен прерыватель тока в генераторе на основе ИНЭ, представляющий собой связанную с источником питания систему взрывающихся проволочек [1].

Основным недостатком такого прерывателя является большая длительность процесса переключения (порядка нескольких микросекунд), поэтому не удается получить достаточно высокое напряжение в высоковольтном импульсе.

Известен плазменный прерыватель тока (ППТ), содержащий потенциальные электроны, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор [2]. Переключение тока из ИНЭ в нагрузку происходит за счет резкого уменьшения проводимости плазмы при достижении в системе критического тока. Величина критического тока зависит от плотности плазмы, скорости каналов плазмы, сечения токового канала, массы ионов.

При работе ППТ [2], плазма инжектированная в межэлектродный зазор ИНЭ, замыкает цепь накопления тока. При этом плазма сносится в сторону нагрузки. Если нагрузка выполнена в виде вакуумного электронного диода, то плазма, попадая в диод, закорачивает диодный промежуток, что приводит к уменьшению амплитуды высоковольтного импульса в нагрузке.

Поскольку параметры плазмы могут быть определены с большой погрешностью, то момент срабатывания ППТ, то есть момент переключения накопленной в ИНЭ энергии в нагрузку может определен также с погрешностью. Таким образом, неопределенность момента срабатывания ППТ [2] является его основным недостатком. Кроме того, длительность процесса переключения является достаточно большой (десятки наносекунд), что не позволяет получить достаточно высокое напряжение в высоковольтном импульсе на нагрузке.

Известен также ППТ [3] , в котором по сравнению с [2] предусмотрены специальные меры для предотвращения сноса плазмы в нагрузку, а именно коаксиальная система протяженных электродов помимо основного канала имеет боковой коаксиальный рукав, в котором устанавливаются плазменные инжекторы, в то время как нагрузка расположена в основном канале. Основные недостатки ППТ [3] - неопределенность момента срабатывания и большая длительность процесса переключения - повторяют недостатки ППТ [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и является ППТ [4], содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, а также дополнительный электрод, расположенный вне межэлектродного промежутка, изолированный от ближайшего к нему потенциального электрода и соединенный по крайней мере одним проводником с другим потенциальным электродом, причем этот проводник размещен между плазменным инжектором и нагрузкой, а дополнительный электрод и ближайший к нему электрод подключены к источнику питания. Введение дополнительного электрода в систему из двух потенциальных электродов и вынесение его за пределы образуемого этими потенциальными электродами промежутка позволяет сформировать контур, замыкаемый через дополнительный электрод, проводник, размещенный между плазменным инжектором и нагрузкой, плазму и потенциальные электроды. В этом ППТ благодаря сформировавшемуся таким образом контуру, плазма сносится в сторону, обратную от нагрузки и тем самым также устраняется опасность шунтирования вакуумного диода (нагрузки) плазмой. Этот ППТ выбран за прототип.

Недостатком прототипа также является неопределенность момента срабатывания и большая длительность процесса переключения.

В связи с этим техническая задача изобретения состоит в обеспечении точного установления момента переключения, а также в уменьшении длительности процесса переключения.

Технический результат изобретения заключается в том, что момент срабатывания ППТ может быть установлен достаточно точно, что позволит осуществить переключение в момент достижения током в ИНЭ максимального значения, или в другой наперед заданный момент времени. Кроме того, другим техническим результатом является уменьшение длительности процесса переключения, что в свою очередь позволит увеличить коэффициент умножения напряжения в нагрузке по отношению к напряжению источника питания.

Данный технический результат достигается тем, что ППТ, содержит потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, дополнительный электрод, расположенный вне межэлектродного промежутка и изолированный от ближайшего к нему электрода. Новым в ППТ является то, что он снабжен дополнительным источником питания, к которому подключены дополнительный и ближайший к нему потенциальный электроды, дополнительный электрод установлен над имеющимся на этом потенциальном электроде сетчатым участком, расположенным между плазменным инжектором и нагрузкой, при этом источник дополнительного питания выбран с напряжением большим напряжения источника питания.

Принцип работы предлагаемого ППТ основан на накоплении магнитной энергии тока в ИНЭ, роль которого выполняет замкнутый контур: источник питания --> один из потенциальных электродов --> плазма, сформированная в межэлектродном промежутке одним или несколькими плазменными инжекторами --> другой потенциальный электрод --> источник питания, и передаче накопленной энергии из ИНЭ при переключении. Опишем более подробно механизм размыкания в предлагаемом ППТ. В процессе накопления тока в ИНЭ на плазменные перемычки действует сила Ампера со стороны магнитного поля тока в ИНЭ, ускоряющая плазму в сторону от плазменных инжекторов к нагрузке. Пусть источник питания включен так, что тот потенциальный электрод, который имеет сетчатый участок, является анодом. Когда плазменные перемычки достигают сетчатого участка потенциального электрода, плазменные электроны проникают сквозь сетку и попадают во внешнее вакуумное пространство вне межэлектродного промежутка, разделяющего потенциальные электроды. При этом за сеткой образуется радиально расходящийся электронный поток. В полости между анодным потенциальным электродом и дополнительным электродом с помощью дополнительного источника питания заранее или к моменту достижения плазменными перемычками сетчатого участка создается стационарный потенциальный барьер (что обеспечивается, только если напряжение дополнительного источника питания превышает напряжение основного источника питания), тормозящий электроны и разворачивающий их назад сквозь сетку в межэлектродный промежуток ИНЭ так, что в месте разворота электронов формируется виртуальный катод (ВК). Отраженные от ВК электроны вновь снова заходят внутрь ИНЭ и тем самым увеличивают омическое сопротивление плазменных перемычек. Местоположение сетчатого участка на анодном протяженном электроде определяет длину движения плазменных перемычек от момента начала накопления тока в ИНЭ до переключения, то есть определяют момент переключения.

Таким образом, первый технический результат - обеспечение точного установления момента переключения - обеспечивается установлением сетчатого участка на определенном расстоянии от плазменных инжекторов. Длительность процесса переключения (возрастания сопротивления плазмы) оценивается временем нахождения электрона в этой полости, примерно равным времени пролета электронов от сетки к ВК и обратно (то есть при параметрах прототипа -несколько наносекунд).

Таким образом, второй технический результат - уменьшение длительности процесса переключения и увеличение амплитуды напряжения в нагрузке - обеспечивается за счет того, что дополнительный электрод расположен над имеющимся на этом потенциальном электроде сетчатым участком и что между дополнительным электродом и ближайшим к нему потенциальным электродом включен дополнительный источник питания с напряжением, большим, чем напряжение основного источника питания.

На фиг.1 показан пример возможного выполнения ППТ в коаксиальном исполнении (1 - источник питания; 2 - замыкатель; 3 - входной изолятор; 4 - внутренний цилиндрический потенциальный электрод; 5 - один из плазменных инжекторов; 6 - внешний цилиндрический потенциальный электрод; 7 - дополнительный источник питания; 8 - сетчатый участок внешнего электрода; 9 - дополнительный электрод; 10 - дополнительный изолятор, отделяющий внешний и дополнительный электроды; 11 - нагрузка; 12 - коллектор отработанной плазмы). Стрелками "р" обозначено направление инжекции плазмы, а стрелками "е" - траектории электронного потока, создаваемого при работе ППТ.

На фиг.2 показан пример выполнения ППТ с боковым коаксиальным рукавом, в котором устанавливаются плазменные инжекторы, в котором так же, как и в [3], исключено попадание плазмы в нагрузку.

На фиг.3 показан пример выполнения ППТ в плоскопараллельном исполнении. Обозначения позиций на фиг.2 и 3 те же, что и на фиг.1.

Источник питания 1 может быть выполнен, например, в виде конденсаторной батареи или взрывомагнитного генератора, а замыкатель 2 - в виде управляемого газонаполненного разрядника. Изолятор 3 может быть изготовлен из любого диэлектрика, например капролона либо высоковольтной керамики.

В вариантах коаксиального исполнения ППТ без рукава и с рукавом (фиг.1 и 2) потенциальных электродов, катодный потенциальный электрод 4 выполняется в виде цилиндра, а охватывающий его анодный потенциальный электрод в виде секционированного цилиндрического стакана, состоящий из цилиндрической части 6, имеющий отверстия для инжекции плазмы, расположенных напротив мест установления плазменных инжекторов 5, цилиндрического сетчатого участка 8, выполненного в виде металлической проволочной сетки (сталь, вольфрам или тантал), и секции 12, служащей коллектором отработанной плазмы. Дополнительный электрод 9, выполненный в виде полого цилиндра, коаксиально охватывает сетчатый участок 8 анодного электрода, и отделен от него изолятором 10, выполненным, например, из того же материала, что изолятор 3.

В варианте исполнения ППТ с рукавом, позволяющим исключить попадание отработанной плазмы в район нагрузки и ее шунтирования, в рукаве располагаются плазменные инжекторы 5, сетчатый участок анода 8, дополнительный электрод 9 с изолятором 10 и коллектор отработанной плазмы 12, отделенный от нагрузки 11.

В случае плоскопараллельной геометрии (фиг.3) потенциальные электроды выполнены в виде полосковой линии.

Нагрузка 11 может быть выполнена в виде вакуумного или плазменного сильноточного диода, а плазменные инжекторы 5 - в виде, например, индукционных плазменных инжекторов с импульсным напуском газа типа [5]. Между дополнительным электродом 9 и анодным потенциальным электродом включен дополнительный источник напряжения 7, выполненный, например, по схеме Аркадьева-Маркса, причем этот источник напряжения подаст, например, импульсно на дополнительный электрод 9 потенциал, меньший потенциала катодного электрода 4.

Работа ППТ происходит, например, следующим образом. Сначала стационарно включают дополнительный источник питания 7 с напряжением, например, 350 кВ, а затем срабатывают плазменные инжекторы 5, инжектирующие плазменные струи в сторону катодного потенциального электрода 4 и формирующие при этом плазменные перемычки между катодом и секцией 6 анодного потенциального электрода. После формирования плазменных перемычек срабатывает управляемый разрядник 2, подключая к протяженным электродам ППТ 4 и 6 источник питания 1 с напряжением 300 кВ. В ИНЭ, представляющем собой замкнутый контур: источник питания 1 --> катодный электрод 4 --> плазма, сформированная в межэлектродном промежутке --> секция 6 потенциального электрода --> источник питания 1, начинает накапливаться электрический ток и магнитная энергия. Под действием магнитного поля этого тока плазменные перемычки ускоряются в сторону нагрузки 11 и через некоторое время достигают сетчатого участка анода 8. В этом положении электроны плазмы плазменных перемычек проходят сквозь сетку 8 и попадают в вакуумную полость, ограниченную этой сеткой и дополнительным электродом 9. Так как на эту полость с помощью дополнительного источника питания 7 наложено тормозящее электрическое поле, то электронный поток отражается от дополнительного электрода 9, не доходя до него, и возвращается в межэлектродный промежуток, увеличивая тем самым сопротивление плазменных перемычек и переключая ток в нагрузку 11. Таким образом, реализуется прерывание тока и передача энергии из ИНЭ в нагрузку 11.

Укажем, что при энергии электронов, например, в несколько десятков килоэлектронвольт и величине зазора между дополнительным электродом 9 и сеткой 8 анодного протяженного электрода в несколько сантиметров длительность размыкания составит всего несколько наносекунд даже при величине размыкаемого тока в несколько сотен килоампер, что является достаточно хорошим показателем для современного уровня развития ППТ.

Источники информации
1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974.

2. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной линией и плазменным прерывателем. Докл. АН СССР, 1985, т. 284, 4, с. 857.

3. Bastrikov A.N., Zherlitsin A.A., Kim A.A. et al., "Experiments on GIT4 with the load upstream from the POS", Proceeding of 12th IEEE International Pulsed Power Conference, Monterey, USA, June 1999, p. 1191.

4. Дубинов А.Е., Жданов B.C., Корнилов B.Г. и др. Плазменный прерыватель тока. Патент РФ 2123243, Н 05 Н 1/00, опубл. БИ 34 от 1998.

5. Бабкин А.Л., Дубинов А.Е., Дубинов Е.Е. и др. Плазменный прерыватель тока. Патент РФ 1811763, Н 05 Н 1/00, опубл. БИ 23 от 1995.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при создании мощных импульсных источников питания для сильноточных ускорителей заряженных частиц, плазменных диодов, излучающих пинчевых систем и т.п. Плазменный прерыватель тока (ППТ) содержит потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, дополнительный электрод, расположенный вне межэлектродного промежутка и изолированный от ближайшего к нему электрода. Прерыватель снабжен дополнительным источником питания, к которому подключены дополнительный и ближайший к нему потенциальный электроды, дополнительный электрод установлен над имеющимся в этом электроде сетчатым участком, расположенным между плазменным инжектором и нагрузкой. Технический результат заключается в том, что момент срабатывания ППТ может быть установлен достаточно точно, что позволит осуществить переключение в момент достижения током в ИНЭ максимального значения, или в другой наперед заданный момент времени. Кроме того, другим техническим результатом является уменьшение длительности процесса переключения, что в свою очередь позволит увеличить коэффициент умножения напряжения в нагрузке по отношению к напряжению источника питания. 3 ил.

Плазменный прерыватель тока, содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, а также дополнительный электрод, расположенный вне межэлектродного промежутка и изолированный от ближайшего к нему потенциального электрода, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным источником питания, к которому подключены дополнительный и ближайший к нему потенциальный электроды, дополнительный электрод установлен над имеющимся на этом потенциальном электроде сетчатым участком, расположенным между плазменным инжектором и нагрузкой, при этом источник дополнительного питания выбран с напряжением, большим напряжения источника питания.