WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 11 Краткие сообщения 04;07;12 Плазменный фокус как коммутатор тока для капиллярного разряда © Э.Ю. Хаутиев1, П.С. Анциферов2, Л.А. Дорохин2, К.Н. Кошелев2, Ю.В. Сидельников2 1 Сухумский физико-технический институт, Сухуми, Абхазия 2 Институт спектроскопии РАН, 142092 Троицк, Московская область, Россия (Поступило в Редакцию 30 декабря 1996 г.) Описаны эксперименты, в которых плазменный фокус использовался одновременно как индуктивный накопитель и коммутатор тока. Полученные скорости нарастания тока на нагрузке с сопротивлением 0.01 составляют 1012 A/s, максимальные значения переброшенного тока лежат в области 50-100 kA. Методика представляется перспективной для реализации капиллярного разряда как источника лазерной среды для мягкой рентгеновской области.

Введение пи анод–катод плазменного фокуса за времена гораздо меньшие, чем время разряда в основном разрядВозросший интерес к исследованиям капиллярного ном контуре.

разряда как возможного источника среды с инверсией на переходах в мягком рентгеновском диапазоне [1,2] стиЭксперимент мулирует поиски новых вариантов его практической реализации. Хотя полная энергетика такого разряда может Общая схема экспериментального устройства покабыть весьма небольшой (10-100 J), его осуществление зана на рис. 1. Она содержит две основные части:

тем не менее не является тривиальной задачей. Основная собственно плазменный фокус и узел нагрузки. Был трудность связана с необходимостью обеспечить достаиспользован плазменный фокус мейзеровского типа с точно крутой фронт нарастания тока (10-100 kA за диаметром внешнего электрода (катода) 70 mm, внутренвремена 10-100 ns), чтобы исключить влияние на разряд испаряющихся стенок капилляра.

Как известно, индуктивные накопители энергии, несмотря на гораздо большую по сравнению с емкостными удельную энергоемкость, не получили такого широкого применения, как последние, вследствие того, что для их коммутации на нагрузку требуется разрывать токовую цепь [3,4]. Ряд разработанных для этой цели устройств, таких как плазменные и взрывные размыкатели, сами по себе являются достаточно сложными устройствами и не всегда обеспечивают требуемые фронты тока на нагрузке. В настоящей работе сообщается об использовании весьма широко распространенного устройства — плазменного фокуса в роли одновременно индуктивного накопителя энергии и коммутатора ее на нагрузку.

Основная идея заключена в следующем: после отрыва токового слоя от изолятора и выхода его на ось разряда система электродов анод–катод плазменного фокуса представляет собой индуктивность с запасенной энергией W. Дальнейшее развитие разряда в определенных режимах приводит к возникновению сильного скачка активного сопротивления в пинчующемся плазменном Рис. 1. Общая схема эксперментальной установки:

столбе. Этот скачок вызывает перенапряжение, которое I — плазменный фокус, II — узел нагрузки; 1 — вакуумная может перебросить часть энергии W в нагрузочную камера, 2 —анод, 3 —катод, 4 —разрядник G2, 5 — нагрузка, цепь, подключенную через разрядник параллельно це- 6 — магнитный зонд, 7 — изолятор.

Плазменный фокус как коммутатор тока для капиллярного разряда ста и выше киловольт. При токе около 200 kA это соответствует максимальному значению R2 0.5-1.

Разрядник G2 пробивается в момент достижения перенапряжением определенной величины. С этого момента в нагрузочной цепи развивается ток, который направлен противоположно основному току. Скорость нарастания тока в нагрузочной (капиллярной) цепи равна скорости его уменьшения в основной цепи (L2, R2) плазменного фокуса. Производная этого тока может быть оценена из соотношения dI/dt U/(L2 + L3) и составляет для обсуждаемых параметров величину 1012 A/s. Полное значение переброшенного тока зависит также от времени существования высокого сопротивления R2. Для харакРис. 2. Эквивалентная схема основного электрического контерных времен порядка нескольких десятков наносекунд тура.

можно надеяться на полный ток в нагрузке (капилляре) от 50 до 100 kA. Точное решение электротехнических уравнений, описывающих эквивалентную схему на рис. 2, обсуждаются ниже. Как показывает сравнение с экснего электрода (анода) — 26 mm и общей длиной копериментальными наблюдениями, эквивалентная схема аксиальной электродной системы 110 mm. Фарфоровый хорошо описывает общий ход процесса переключения изолятор имел длину 30 mm и диаметр 26 mm. Основная тока.

разрядная емкость C составляла 10 µF, рабочее напряжение — 25 kV. Суммарная индуктивность разрядной цепи до вакуумной камеры (индуктивность основного Результаты и обсуждение конденсатора, системы подводящих кабелей и воздушноВ настоящей работе было исследовано переключение го разрядника G1) оценивается как Li = 0.11 µH. Время разрядного тока на нагрузку с использованием в качестве первого полупериода равно 3.2 µs. Максимальный ток в рабочего газа водорода, гелия и неона с давлениями, основной цепи (без подключения капилляра) составлял обеспечивающими выход токовой оболочки на ось разоколо 200 kA.

ряда в момент максимума разрядного тока. На рис. Процесс переключения тока исследовался с нагрузприведены осциллограммы тока, текущего через разряд кой, представляющей собой тонкостенную трубку из нержавеющей стали внешним диаметром 4 mm, рабочей длиной 100 mm и сопротивлением R1 = 0.01.

Конструктивно она расположена соосно с электродной системой плазменного фокуса и отделена от анода воздушным разрядным промежутком 10-13 mm (разрядник G2 на рис. 1). Обратный токопровод нагрузки представляет собой цилиндр с внутренним диаметром 6 mm, изолированный по всей длине от нагрузочной трубки.

Индуктивность нагрузочного узла вместе с разрядником G2 оценивается как L2 = 0.03 µH. Два индуктивных датчика позволяли регистрировать ток в цепях плазменного фокуса и нагрузки.

Эквивалентная электрическая схема, численная модель которой использовалась для анализа поведения системы, приведена на рис. 2. При моделировании полагалось, что полная индуктивность разрядной камеры L3 плавно меняется вследствие движения токовой оболочки от 0.01 µH в начале разряда до 0.03 µH в конце первой четверти периода. Ключевым элементом модели является активное сопротивление разряда R2.

Повышение этого сопротивления на определенной стадии пинчевания плазмы приводит к хорошо известному явлению — возникновению перенапряжений в разряде.

Величина перенапряжений U составляет для установок, Рис. 3. Осциллограммы тока через плазменный фокус (верхблизких по параметрам к используемой нами, порядка ний график) и через нагрузку (нижний график).

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 112 Э.Ю. Хаутиев, П.С. Анциферов, Л.А. Дорохин, К.Н. Кошелев, Ю.В. Сидельников что нарастание тока I в цепи R1-L2 определяется уравнением dI/dt =(L2 +L3)-1 · I0 · R2(t), и если ток через плазменный фокус I0 за время переброса меняется несильно (это предположение, вообще говоря, выполняется плохо, и поэтому обсуждаемая зависимость не является абсолютно строгой), то справедлива оценка t I(t) I0 · (L2 +L3)-1 R2(t)dt. (2) = При этом величина интеграла всегда может быть оценена как произведение некой характерной величины сопротивления на время процесса, т. е., как было уже отмечено, полная, величина переброшенного тока в этих условиях не зависит от деталей временного хода сопро тивления R2. Имея в виду, что полное время переключения составляет величину порядка t, можно сделать вывод, что среднее значение dI/dt на нагрузке будет определяться значением R0. Отметим, что детали фронта тока на экспериментальных осциллограммах указывают на временной ход этого сопротивления, более сложный, чем это заложено в формуле (1).

Разряд плазменного фокуса является, вообще говоря, Рис. 4. Расчетные кривые тока через плазменный фокус плохо воспроизводящимся физическим объектом, по(верхний график) и через нагрузку (нижний график).

этому процесс переключения тока на нагрузку с его помощью также характеризуется некой статистикой. На рис. 5 приведены результаты статистической обработки и нагрузку для случая удачного переключения (10-20% серии экспериментов (50 разрядов) с использованием в от общего числа разрядов, см. ниже). Можно видеть, что качестве рабочего газа в разряде плазменного фокуса He.

за время порядка 50 ns на нагрузку удается перебросить В каждой экспериментальной осциллограмме было опре50 kA, т. е. обеспечить скорость нарастания тока 1012 A/s.

делено время, за которое ток через нагрузку достигает Экспериментальные осциллограммы были проанализначения 20 kA. Показаны процентные распределения зированы с помощью численной модели эквивалентной числа разрядов, в которых переброшенный на нагрузку схемы (рис. 2). Результаты численных расчетов вреток достигает соответствующих значений за время от t менных зависимостей соответствующих токов приведе до t +t (t = 20 ns). Приведенная гистограмма дает ны на рис. 4.

представление о средних и предельных характеристиках В начальный момент времени емкость C заряжена до фронта тока на нагрузке. Так, в 17% случаев от общего 25 kV, все токи в цепях равны 0. В момент t = числа разрядов была получена скорость нарастания тока происходит пробой основного разрядника G1 и начинаот 0.5 · 1012 до 1 · 1012 A/s. С точки зрения получения ет развиваться ток через плазменный фокус. Время t0 самых коротких фронтов представляется более предподостижения максимального значения активного сопротивления R2 выбиралось с помощью экспериментальных осциллограмм тока и соответствовало моменту начала переключения тока. Временной ход сопротивления Rзадавался формулой R2 = R0 exp(-(t - t0)2/t2). (1) Разрядник G2 включался в момент достижения перенапряжения 30 kV. Время развития разряда в воздушных разрядниках, как правило, не превышает 10 ns и в настоящих оценках не учитывается. Величины падения тока через разряд и соответственно скачка тока на нагрузке в основном зависят от произведения R0t (при условии R1 < R0), которое для наших экспериментальных данных Рис. 5. Статистика времени нарастания тока на нагрузке до описывается значением 0.02 Ом · µs для величины = значений 20 kA при использовании гелия в качестве рабочего скачка 50 kA. Последний факт можно понять, заметив, газа в плазменном фокусе.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Плазменный фокус как коммутатор тока для капиллярного разряда чтительным использование He и Ne, нежели H2, в качестве рабочего газа. Давление рабочего газа не оказывает существенного влияния на процесс переключения тока, пока особенность разрядного тока через плазменный фокус остается в области его максимума (от первой до второй микросекунды). Отметим, что попыток оптимизации самого плазменного фокуса с точки зрения процесса переключения пока не предпринималось и, возможно, приведенная статистика может быть улучшена.

Настоящая работа выполнена при поддержке фонда РФФИ (проект № 95-02-04495a).

Список литературы [1] Steden C., Kunze H.-J. // Phys. Lett. A. 1990. Vol. 151. P. 534.

[2] Rocca J.J., Cortazar O.D., Shapiro B. et al. // Phys. Rev. E.

1993. Vol. 47. P. 1299.

[3] Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио. 1974.

[4] Ковальчук Б.М., Котов Ю.А., Месяц Г.А. // ЖТФ. 1974.

Т. 41. Вып. 1. С. 215.

8 Журнал технической физики, 1998, том 68, №




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.