WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 8 04;12 Некоторые результаты визуальных исследований излучения магнитоплазменного компрессора в атмосфере © Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец, М.А. Острижной, В.Г. Нестеренко, О.И. Харченко, В.И. Чумаков Харьковский государственный технический университет электроники, Харьков, Украина (Поступило в Редакцию 10 октября 2000 г.) Описан эффективный источник импульсного электромагнитного излучения в диапазоне 0.3-10.2 µm.

Приведены параметры установки и результаты исследований характеристик излучения.

Плазменные источники электромагнитного излучения В данной работе рассмотрены результаты эксперименобладают высокими электрическими показателями эф- тальных исследований источника мощного импульсного фективности. Известно, что мощность излучения, плот- излучения на основе коаксиального магнитоплазменного ность и температура плазмы в таких источниках зависят компрессора (МПК) торцевого типа. Приведены экспеот энергии, вкладываемой в разряд, и, следовательно, от риментальные зависимости параметров экспериментальразрядного тока [1–4]. Исследования пространственного ной установки, собранной по бесшиновой схеме, что распределения температуры в области разряда позво- позволяет получить высокие показатели эффективности ляют оптимизировать параметры энергетической устаизлучения. Приведены зависимости параметров излученовки и конструкцию излучателя с целью получения ния и результаты исследований характеристик излучения максимальной эффективности излучения.

в оптическом диапазоне волн.

В экспериментальных установках по генерации и Схема экспериментальной установки приведена на ускорению плотной плазмы в качестве энергопитания рис. 1. Электроды коаксиального МПК располагались используются емкостные накопители. В этом случае на металлических листах, которые соединялись с максимальная величина тока ограничивается влияни- соответствующими электродами конденсаторов накоем индуктивности конденсаторов и паразитной индук- пителя. Заряд накопителя от мощного выпрямителя тивности монтажа (шинопроводов, связывающих элек- позволял получать напряжения в диапазоне 2–3.6 kV.

троды конденсаторов и плазменного ускорителя). Ми- Запуск установки производился от вспомогательного нимизация индуктивности позволяет реализовать ре- источника плазмы (форплазмы), электрод которого жим разряда накопителя, близкий к апериодическо- располагался аксиально внутри центрального му, и приблизиться к максимально возможным вели- электрода МПК. При разряде на него дополнительного чинам разрядных токов экспериментальных установок. конденсатора Cf = 60 µF форплазма, образующаяся Рис. 1. Схема МПК с напуском форплазмы: 1 — внешний электрод, 2 — центральный электрод, 3 — камера K1 формирования форплазмы, 4 — плазменные струи, 5 — дополнительный электрод, 6 — фторопластовые изоляторы, 7 — листовой электрод накопителя — анод, 8 — листовой электрод накопителя — катод, 9 —разрядник.

Некоторые результаты визуальных исследований излучения магнитоплазменного компрессора... Рис. 2. Типовые осциллограммы тока разряда (a — 325 kA/дел., 20 µs/дел.), напряжения на нагрузке (b —0.75 kV, 20 µs/дел.) мгновенной мощности (c — 250 MW/дел., 20 µs/дел.) и сопротивления (d —2.35 m/дел., 20 µs/дел.) при напряжениях накопителя 2.0 (a) и 3.2 kV(b).

внутри камеры K1, под действием газокинетического параметрами резистивно-емкостного делителя напряжедавления выбрасывается через отверстия в центральном ния, постоянная времени которого 10 µs соизмерима с электроде МПК в виде отдельных струй в разрядный длительностью исследуемых процессов. Как видно, мгнопромежуток. Энергия заряженных частиц форплазмы венная мощность остается положительной, следовательдостаточна для перекрытия разрядного промежутка, так но, сопротивление в процессе разряда имеет активный что в результате происходит разряд емкостного накопи- характер.

теля. Из отдельных плазменных струй формировалась Зависимости тока разряда от напряжения зарядки наоднородная плазменная шайба, из которой затем образо- копителя U2 и от величины накопленной энергии вывалась токово-плазменная оболочка, характерная для МПК торцевого типа. Полярность электродов МПК выW2 = CUбиралась в соответствии с рекомендациями [3].

Параметры экспериментальной установки следуюприведены на рис. 3. Ток возрастает линейщие: емкость накопителя 1400 µF, зарядное напряжено с напряжением, т. е. можно считать, что интение 2–3.6 kV, разрядный ток 200–400 kA, индуктивность гральное сопротивление разрядного контура, равное разрядного контура 8.75 nH, максимальная мощность R =U/I 9.4·10-3, и средняя мощность потерь в = излучения 55 MW, длительность импульса тока 22 µs.

исследуемом диапазоне энергий остаются постоянными.

Рассмотрим результаты измерений характеристик исВеличину тока можно также оценить, интегрируя первый точника. На рис. 2 приведены временные диаграм полупериод осциллограммы тока рис. 2, a и сравнивая мы разрядного тока емкостного накопителя (a) и нарезультат с зарядом, накопленным в емкости. Отсюда пряжения на электродах МПК (b). Как видно разCUряд носит колебательный характер с большим деIm =, крементом затухания, значение которого составляет f (t)dt ln Im(t)/Im(t + T ) 1.39. На основании временных = диаграмм i(t) и u(t) можно построить зависимости мгновенной мощности p(t) = u(t)i(t) и сопротивле- где 1 — длительность первого полупериода тока; f (t) — ния r(t) = u(t)/i(t) (рис. 2, c, d). при построении этих функция, описывающая временную зависимость тока.

графиков была сделана коррекция искажений, вносимых Значения, рассчитанные для выбранных величин заряд8 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 114 Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец, М.А. Острижной, В.Г. Нестеренко, О.И. Харченко, В.И. Чумаков Рис. 3. Зависимости тока нагрузки (расчет — сплошная кривая, эксперимент — значки) и накопленной энергии (штриховая кривая) от зарядного напряжения (a), зависимость тока нагрузки и плотности потока энергии оптического излучения от накопленной энергии (b).

ного напряжения в предположении, что первый полупе- порядка 102 J. Оценка полной энергии излучения пориод тока имеет вид i(t) =Im sin t, также показаны на лучается интегрированием плотности потока по прорис. 3. странственной диаграмме направленности излучателя и составляет W1 = 1.744 kJ. Таким образом, КПД изРегистрация энергии излучения в диапазоне 0.3 10.2 µm осуществлялась с помощью из- лучателя равен 0.19. При этом предполагалось, что распределение излучения пропорционально площади семерителя мощности лазерного излучения ИМО-2Н. На чения ПФ в азимутальной и меридиональной плоскостях рис. 3 приведена зависимость плотности потока энергии в 2-пространстве.

излучения на расстоянии 1 m от источника от зарядного Пространственное распределение температуры в обланапряжения и накопленной энергии. Перегиб кривой сти разряда и эффекты, сопровождающие сильноточный и снижение степени роста энергии излучения можно разряд МПК, можно оценить на основании фотограобъяснить сдвигом максимума кривой распределения фий, выполненных с применением оптических фильтров температуры (кривой Планка) излучающего плазменно(рис. 4). Как видно, наиболее высокотемпературная го образования в ультрафиолетовую область и выходом область разряда локализована вблизи торца центральноза пределы полосы пропускания прибора при увеличении го электрода и имеет веретенообразную форму, харакэнергии, вкладываемой в разряд, что приводит к терную для образования ПФ [2,3]. Верхняя граница посоответствующему росту температуры плазмы. Значение лосы пропускания фильтра УФС-6 равна 410 nm, поэтому разрядного тока при этом составляет Ip 260 kA. При = реализация ПФ представляется весьма вероятной. Кроме таком токе магнитное давление (µH2)/2 (где H — того, разряд сопровождается мощной ударной волной на напряженность магнитного поля, создаваемого током) выходе плазменного ускорителя.

значительно превышает газокинетическое давление Использование фильтров с более низкочастотной хаплазменного столба 2nkT (где n — концентрация рактеристикой пропускания показывает, что области с электронов в разрядном столбе, k — постоянная меньшей температурой имеют большие размеры и в Больцмана, T — температура), что приводит к обракрасной области спектра разряд имеет диффузный харакзованию перетяжек и неустойчивости и формированию тер. На рис. 4, a отмечаются эффекты интенсивной эроплазменного фокуса (ПФ) [1–5]. Оценку температуры зии центрального электрода, т. е. температура металла, можно получить, используя соотношение Беннета для выбрасываемого при эрозии T1 < 5500 K. В некоторых равновесного случая при учете только азимутального случаях разряд имел асимметричную форму в результате магнитного поля, создаваемого разрядным током, неравномерного выброса форплазмы в разрядный проме2 жуток.

µHp = 2nkT, Наиболее отчетливо пространственное распределение температуры в области разряда видно на рис. 4, a.

где предполагается равномерное распределение Можно выделить четыре характерные области: 1) выплотности заряженных частиц по сечению плазменного сокотемпературная область ПФ на торце центрального столба, Hp = Ip/2rp — магнитное поле на границе электрода, примерно равная его диаметру d и имеющая плазменного столба радиусом rp. Подставляя rp = 1 cm, высоту порядка (2-2.5)d; 2) внутренняя область в n = 5 · 1018 cm-3, получим T 7.8 · 104 K.

= межэлектродной части, занимающая наибольший объем Энергия излучения высокотемпературной области для и охватывающая ПФ; 3) область токово-плазменной данной температуры и плотности составляет величину оболочки, 4) внешняя низкотемпературная область раЖурнал технической физики, 2001, том 71, вып. Некоторые результаты визуальных исследований излучения магнитоплазменного компрессора... Рис. 4. Cильноточный разряд МПК. Фильтры: a —TC-2, b — HC-10, c — HC-13, d — внешний вид электродов МПК.

Рис. 5. Качественная картина пространственного распределения температуры в области разряда. a–c соответствуют рис. 4, a–c.

зогретого газа, состоящего в основном из нейтральных ния и последующая обработка фотографий с помощью молекул. ПЭВМ (программного пакета Corel PhotoPaint). С помощью такой обработки можно выделить достаточно Детальная картина пространственного распределения широкий спектр яркостных градаций разряда, которые температуры приведена на рис. 5. Для визуализации областей разряда с различной температурой был при- фактически представляют собой изотермы температурменен алгоритм поиска линий равной яркости изображе- ного распределения.

8 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 116 Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец, М.А. Острижной, В.Г. Нестеренко, О.И. Харченко, В.И. Чумаков тока для двух случаев (апериодический и колебательный процессы) представлен на рис. 6 Как видно, в начальный момент времени для рассматриваемой цепи не равен нулю, а составляет некоторую величину I0, определяемую емкостью форсирующего конденсатора и начальным количеством ионизированных частиц в разрядном промежутке. При этом в начальный момент времени происходит ионизация и начальный разогрев газа в разрядном промежутке, таким образом скорость нарастания разрядного тока оказывается выше, чем в Рис. 6. Вид тока разряда в схеме с форсурующей емкостью:

системах без форсирующей емкости.

a — для апериодического процесса, b — для колебательного Разработанный и созданный источник широкополоснопроцесса.

го оптического излучения плазмы при сильноточном разряде в атмосфере позволяет получать импульсы мощностью до 55 MW. Эффективность источника составляет Среди путей повышения мощности импульсного оптивеличину порядка 19% энергии, вкладываемой в разряд.

ческого излучения можно выделить два направления. К Применение безшиновой системы соединения электропервому относятся способы повышения мощности излудов МПК с конденсаторами накопителя позволило реачения в импульсе за счет увеличения емкости накопилизовать короткие импульсы тока 20 µs и повысить тельного элемента C2 и/или увеличения зарядного напрямощность излучения. Получены результаты фотографижения U2 на накопительном элементе (т. е. увеличение ческих исследований излучения сильноточного разряда энергии импульса). Ко второму относятся способы, прев различных областях оптического спектра, что позволядусматривающие укорочение импульса излучения при ет проводить анализ пространственного распределения неизменной энергии, вкладываемой в разряд. Эти спосоизлучения области разряда и оценить пространственное бы включают в себя уменьшение паразитной индуктивраспределение температуры. Полученные результаты моности накопительного элемента и токоведущих частей гут служить основой достаточно простой методики каконструктивными решениями, в частности применением чественной оценки распределения температуры плазмы конденсаторов с малой индуктивностью и токоведущих при сильноточных высоковольтных импульсных разрячастей, выполненных в виде металлических листов; поддах.

бор формы и материала электродов, обеспечивающих минимальное сопротивление плазмы в области разряда;

Список литературы применение форсирующих емкостей в накопителе.

Кратко опишем способ с применением форсирующих [1] Козлов Н.И. // ТВТ. 1973. Т. 11. № 1. C. 191–193.

емкостей. Форсирующая емкость представляет собой [2] Зворыкин В.Д., Камруков А.С., Клементов А.Д. и др. // конденсатор (конденсаторы) с малой индуктивностью, Квантовая электрон. 1977. Т. 4. № 2. C. 290–300.

включаемый (включаемые) параллельно основным кон[3] Камруков А.С., Козлов Н.П., Протасов Ю.С. // Письма в денсаторам накопителя как можно ближе к МПК. ЕмЖТФ. 1975. Т. 1. Вып. 9. С. 419–422.

кость форсирующих конденсаторов выбирается из усло- [4] Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Под ред.

вия C4 = (0.001... 0.01)C2. При этом разрядная цепь И.П. Козлова, А.И. Морозова. М., 1984. 271 с.

[5] Шостко С.Н., Шостко И.С., Лонин Ю.Ф. и др. // представляет собой цепь третьего порядка. Решение Материалы 7-й Международной Крымской конф. ”СВЧ дифференциального уравнения для данной цепи в предтехника и телекоммуникационные технологии” (КрымМиположении, что плазма разряда имеет активное сопротиКо97). Севастополь, 1997. Т. 1. С. 271–274.

вление Rp = const (что для систем с форплазменным поджигом в начальной стадии разряда соответствует действительности), приводит к следующим результатам:

a) процесс апериодический, разрядный ток Ip(t) описывается уравнением Ip(t) = K1e-t + K2e-t + K3e-t, где K1, K2, K3,,, — константы, зависящие от начальных условий и элементов цепи;




© 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.