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

Изобретение относится к технике индуктивных накопителей энергии с плазменными размыкателями тока и может быть использовано при создании импульсных источников питания для сильноточных ускорителей заряженных частиц, плазменных диодов, излучающих систем и т.п.

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

Известен размыкатель тока в генераторе на основе ИНЭ, представляющий систему электрически взрывающихся проволочек [1] (Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов.- М.: Сов. радио, 1974). Основным недостатком такого размыкателя является большая длительность процесса размыкания (порядка нескольких микросекунд), поэтому не удается получать достаточно высокое напряжение в высоковольтном импульсе в нагрузке.

Известен плазменный размыкатель тока (ПРТ), 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 [2] (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, 11, p. 943-945). Принцип действия ПРТ основан на накоплении энергии тока в 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.

Недостатком известного ПРТ является неопределенность параметров плазмы и, как следствие, неопределенность момента размыкания. Это обстоятельство усложняет настройку и поиск оптимального режима работы ПРТ, когда размыкание происходит в момент достижения накопленным током в ИНЭ максимального значения.

Наиболее близким к предлагаемому решению является ПРТ, описанный в [3] (Dolgachov G.I., Zakatov L.P., Ushakov A.G. "Study of repetitive plasma opening switch generator technology", IEEE Transactions on Plasma Science, 1998, v. 26, 5, р. 1410-1419) и содержащий протяженные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником импульса тока и подключенные к нагрузке и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, при этом часть внешнего анодного электрода, расположенная между плазменным инжектором и нагрузкой, выполнена в виде сетки.

Этот ПРТ выбран нами за прототип. Принцип его работы основан на накоплении энергии тока в 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 при размыкании. Опишем более подробно механизм размыкания в известном ПРТ. 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. Когда плазменные перемычки достигают сетчатого участка протяженного анодного электрода, плазменные электроны проникают сквозь сетку и попадают во внешнее вакуумное пространство, образуя радиально расходящийся электронный поток. Во внешнем пространстве под действием собственного электрического заряда электронов возникает потенциальный барьер, тормозящий электроны и препятствующий дальнейшему их проникновению из ИНЭ сквозь сетку, то есть 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 размыкания.

Рассмотрим недостатки такого ПРТ. Поскольку такой ПРТ был выполнен в коаксиальном исполнении, когда катодный протяженный электрод находится внутри анодного соосно ему, то формирование ВК в радиально расходящемся электронном потоке затруднено. Действительно, если рассмотреть аксиально симметричный и азимутально однородный радиальный поток электронов, то согласно известной теореме Гаусса [4] (Мешков И.Н., Чириков Б.В. "Электромагнитное поле", Новосибирск: Наука, 1987, ч. 1) на выделенный радиальный слой электронов пространственный заряд внешних электронов не действует и поэтому здесь ВК возникнуть не может. Но ВК формируется при нарушении азимутальной однородности электронного потока, и, по-видимому, конечный набор плазменных инжекторов в [2] и создает эту неоднородность. Но условия формирования ВК здесь все же затруднено, и кроме этого всегда в электронном потоке в такой конфигурации существуют пролетные электроны [5] (Дубинов А.Е., Селемир В.Д. "Сверхмощные СВЧ приборы с виртуальным катодом и фазированные антенные решетки на их основе", Зарубежная радиоэлектроника, 1995, 4, с. 54-60), не участвующие в увеличении омического сопротивления плазменных перемычек. Таким образом, затрудненные условия формирования ВК и наличие в электронном потоке пролетных электронов приводят к недостаточному росту сопротивления плазменных перемычек, что в свою очередь снижает коэффициент обострения электрической мощности, передающейся в нагрузку ПРТ.

Техническая задача
Технической задачей стоит повышение электрической мощности, передающейся в нагрузку ПРТ без повышения входной мощности.

Технический результат
Техническим результатом является повышение омического сопротивления плазменных перемычек за счет обеспечения облегченных условий формирования ВК электронами, проходящими сквозь сетку, а также за счет исключения потерь пролетных электронов, что позволяет увеличить электрическую мощность, передающуюся в нагрузку ПРТ без повышения входной мощности.

Сущность
Этот результат достигается в ПРТ, включающем протяженные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником импульса тока и подключенные к нагрузке, и, по меньшей мере, один плазменный инжектор, причем часть одного из электродов - анодного, расположенная между плазменным инжектором и нагрузкой, выполнена в виде сетки. Новым по сравнению с прототипом является то, что другой электрод - катодный - выполнен полым, а электрод с сетчатым участком установлен внутри полого электрода, за счет чего и достигается указанный технический результат.

Для разъяснения причинно-следственных связей между новыми признаками ПРТ и достигаемым техническим результатов прежде всего укажем, что в предлагаемой конфигурации электронный поток, проходящий сквозь сетчатый участок анодного протяженного электрода, является радиально сходящимся, что обеспечивает облегчение условий формирования ВК, так как согласно вышеупомянутой теореме Гаусса на некоторый выделенный радиальный слой электронов действует пространственный заряд тех электронов, которые влетели в вакуумную полость внутри анодного электрода ранее выделенных. Более того, те электроны, которые не отражаются от ВК (т.е. являются пролетными), вылетают из вакуумной полости внутри анодного электрода сквозь сетку в точке, диаметрально противоположной точке их влета в полость. Таким образом, все электроны, попадающие в полость, вылетают из нее и участвуют в увеличении омического сопротивления плазменных перемычек, так что время размыкания (возрастания сопротивления плазмы) оценивается временем радиального пролета полости.

Пример выполнения
Пример выполнения предлагаемого ПРТ показан на чертеже, где обозначено: 1 - источник импульса тока, 2 - замыкатель, 3 - изолятор, 4 - анодный протяженный электрод, 5 - плазмообразующий изолятор плазменного инжектора, 6 - высоковольтный электрод плазменного инжектора, 7 - замыкатель цепи питания плазменных инжекторов, 8 - источник импульсного питания плазменных инжекторов, 9 - сетчатый участок анодного протяженного электрода, 10 - нагрузка, 11 - катодный протяженный электрод; I и II - начальное и конечное положение плазменных перемычек, VC - ВК, е - электроны, траектории которых показаны стрелками.

Источник импульса тока 1 может быть выполнен в виде конденсаторной батареи, а замыкатель 2 - в виде управляемого газонаполненного разрядника. Изолятор 3 может быть изготовлен из любого диэлектрика, например капролона либо высоковольтной керамики. Анодный протяженный электрод 4 представляет собой секционированный цилиндр, состоящий из сплошных цилиндров, один из которых примыкает к источнику импульса тока 1, а другой - к нагрузке 10. Сплошные цилиндрические секции анодного протяженного электрода 4 разделяются сетчатым участком 9, выполненным из металлической сетки (сталь, вольфрам или тантал). Сетчатый участок 9 электрода 4 охватывает вакуумную полость, связанную посредством отверстий в сетке с вакуумным объемом, ограниченным катодным протяженным электродом 11 и изолятором 3. На катодном электроде расположены плазменные инжекторы, выполненные, например, в виде системы высоковольтных электродов 6, установленных в катодном протяженном электроде 11 и разделенных от него плазмообразующими изоляторами 5. Плазменные инжекторы через управляемые разрядники 7 подключены к источникам импульсного напряжения 8. В качестве нагрузки 10 может служить вакуумный взрывоэмиссионный диод или плазменная нагрузка типа Z-пинча.

Работа ПРТ происходит следующим образом. Сначала срабатывают разрядники 7, в результате чего импульсы высокого напряжения с источников 8 подаются на высоковольтные электроды плазменных инжекторов 6. Величина этого напряжения подобрана выше порога возникновения поверхностного разряда на плазмообразующих изоляторах 5. Под действием собственного магнитного поля поверхностных разрядов образовавшаяся плазма ускоряется в сторону анодного протяженного электрода 4, формируя плазменные перемычки в положении I. После формирования плазменных перемычек срабатывает управляемый разрядник 2, подключая к протяженным электродам ПРТ 4 и 11 источник импульса тока 1. В ИНЭ, представляющем собой замкнутый контур: источник импульса тока 1 --> катодный протяженный электрод 11 --> плазма, сформированная в межэлектродном промежутке --> анодный протяженный электрод 4 --> источник импульса тока 1, начинает накапливаться электрический ток и магнитная энергия. Под действием магнитного поля этого тока плазменные перемычки ускоряются в сторону нагрузки 10 и через некоторое время занимают положение II. В этом положении электроны плазмы плазменных перемычек проходят сквозь сетку 9 и попадают в вакуумную полость внутри этой сетки. Радиально сходящийся электронный поток формирует в этой полости ВК, который отражает часть электронов назад в плазму сквозь сетку 9. При этом другая часть электронов, не отраженная ВК (пролетные электроны), также проходит сквозь сетку, покидая внутреннюю полость. Таким образом, все электроны возвращаются в плазменные перемычки и увеличивают тем самым омическое сопротивление плазмы, за счет чего и реализуется размыкание тока и передача энергии из ИНЭ в нагрузку 10.

Укажем, что согласно проведенным расчетам при энергии электронов, например, в несколько десятков килоэлектронвольт и диаметре сетчатого участка 9 анодного протяженного электрода в несколько десятков сантиметров длительность размыкания составит всего несколько десятков наносекунд даже при величине размыкаемого тока в несколько сотен килоампер, что является достаточно хорошим показателем для современного уровня развития ПРТ.

Изобретение относится к технике индуктивных накопителей энергии с плазменными размыкателями тока (ПРТ) и может быть использовано при создании импульсных источников питания для сильноточных ускорителей заряженных частиц, плазменных диодов, излучающих систем и т.п. ПРТ содержит протяженные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником импульса тока и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор, причем часть одного из электродов - анодного, расположенная между плазменным инжектором и нагрузкой, выполнена в виде сетки. Другой электрод - катодный - выполнен полым, а электрод с сетчатым участком установлен внутри полого электрода. Технический результат: повышение омического сопротивления плазменных перемычек за счет обеспечения облегченных условий формирования ВК электронами, проходящими сквозь сетку, а также за счет исключения потерь пролетных электронов, что позволяет увеличить электрическую мощность, передающуюся в нагрузку ПРТ без повышения входной мощности. 1 ил.

Плазменный размыкатель тока, включающий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником импульса тока и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор, причем часть одного из электродов - анодного, расположенная между плазменным инжектором и нагрузкой, выполнена в виде сетки, отличающийся тем, что другой электрод - катодный выполнен полым, а электрод с сетчатым участком установлен внутри полого электрода.