WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1998, том 68, № 2 04;12 Расширение искровых каналов в воздухе и возможности плазменного кроубара в технике больших импульсных токов и магнитных полей © А.К. Сойка, И.М. Вашкевич Институт физики твердого тела и полупроводников АН Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия (Поступило в Редакцию 23 декабря 1996 г.) Методом контакта плазмы с металлом измерены скорости радиального расширения и диаметры искровых каналов в воздухе, источником которых служил разрядный LC-контур с энергией до 50 kJ и с частотой токов от 102 до 104 Hz. Исходя из полученных результатов, сделан вывод о том, что предложенный ранее автоматический плазменный кроубар, основанный на явлении расширения искровых каналов в газах, является универсальным замыкателем индуктивной нагрузки в разрядных LC-контурах, который может найти самое широкое применение в технике больших импульсных токов и магнитных полей.

В работах [1,2] описан новый способ получения уни- напряжением до 5.5 · 103 V разряжалась через управляполярных импульсов сильных магнитных полей различ- емый трехэлектродный воздушный искровой разрядник ной формы и с индукцией до 100 T в колебательных (тригатрон) на катушку индуктивностью L. Величины L разрядных LC-контурах с помощью так называемого изменялись в пределах от 1.2·10-3 до 1.2·10-7 H, что соавтоматического плазменного кроубара, принцип работы ответствовало изменению частоты LC-контура от 80 Hz которого основан на явлении радиального расширения до 9 kHz, которая вычислялась по формуле f = 1/T, где каналов искровых разрядов в газах [3,4]. Однако область T — длительность первого периода разрядного тока, поприменения предложенного кроубара ограничивалась чалученная из его осциллограммы. Декременты = RT /2L стотами LC-контуров 104 Hz.

затухания разрядных токов при этом изменялись от 0.3 Целью настоящей работы являлось эксперименталь( f = 80 Hz) до 1.2 ( f = 9 kHz), а амплитуды токов — ное исследование расширения искровых каналов в воздуот нескольких килоампер до 4 · 105 A соответственно.

хе методом контакта газоразрядной плазмы с металлом в Принципиально новым элементом схемы на рис. диапазоне частот разрядных токов от 102 до 104 Hz является четвертый (кроубарный) электрод тригатрона.

и выяснение возможностей более широкого применения В данном случае он представляет собой короткую (приплазменного кроубара в технике больших импульсных близительно 2–3 cm при длине разрядного промежутка токов и магнитных полей.

до 7 mm) латунную или стальную трубу с толщиной Необходимо отметить, что в известных работах, постенок 3–5 mm, расположенную симметрично (рис. 1) и священных расширению искровых каналов в газах (см., например, [3–6] и литературу там), используется практически один и тот же метод исследования, который основан на изучении полученных тем или иным способом временных разверток фотографического изображе ния искрового разряда. Критерием границы канала при этом являлась определенная плотность фотографического почернения, зависящая от целого ряда факторов, не связанных с исследуемым явлением. По-видимому, частично этим обстоятельством объясняется весьма большой разброс имеющихся у различных авторов данных о скоростях расширения и диаметрах плазменных столбов искровых разрядов для одних и тех же газовых сред и при одинаковых или близких параметрах разрядных цепей.

В данной работе впервые измерены скорости расширения и диаметры искровых каналов в воздухе в условиях, когда критерием их границы служила степень ионизации возмущенного разрядом газа, т. е. определенная величина электрической проводимости газоразрядной плазмы, значение которой в наших экспериментах было близко к проводимости металла.

Рис. 1. Принципиальная схема эксперимента (разрядный Схема эксперимента представлена на рис. 1. Конден- LC-контур с плазменным кроубаром). 1, 2 — электроды трисаторная батарея C энергоемкостью W = 52 · 103 J и гатрона; 3 — кроубарный электрод.

134 А.К. Сойка, И.М. Вашкевич соосно электродам тригатрона и соединенную токопроводом ab с одним из выводов катушки.

Главным параметром кроубарного электрода является величина его внутреннего радиуса. Как только расширяющаяся газоразрядная плазма достигает кроубарного электрода, ее контакт с металлом накоротко замыкает выводы катушки (рис.1), вследствие чего дальнейший временной ход разрядного тока в контуре изменяется, что однозначно фиксируется по его осциллограмме (характер этого изменения зависит от момента времени (фазы) разрядного процесса, в который происходит срабатывание кроубара). Распределение и размеры контактных пятен на внутренней поверхности кроубарного электрода позволяют судить об электрической проводимости соприкасающихся с нею частей плазменного столба, т. е.

о его форме в момент замыкания катушки.

Таким образом, кроубарный электрод дает возможность не только радикальным образом изменять свойства Рис. 2. Зависимости диаметра 2rk кроубарного электрода и разрядного LC-контура как источника импульсов тока средней за первую четверть первого периода разрядного тока (магнитного поля) определенной формы, но и детально скорости Vmid расширения плазменного столба разряда тригаисследовать пространственно-временную картину рас трона от частоты LC-контура для энергии разряда W = 16 kJ.

ширения столба искрового разряда.

С точки зрения практического применения плазменного кроубара расширение столба разряда целесообразно характеризовать величиной его радиуса, равного радиусу m < 2 · 10-4 s цилиндрическая форма кроубарного элекrk кроубарного электрода, который замыкает катушку трода необязательна. Необходимо только, чтобы начальв момент первого максимума тока, и средней за вре- ный стример, вокруг которого позже формируется канал мя m T /4 достижения максимума тока скоростью разряда, возникал вблизи продольной оси электродов Vmid = rk/m его радиального расширения. Эта целесо- тригатрона. Это условие выполняется автоматически, образность связана с тем, что наибольший интерес (и если рабочие поверхности электродов имеют форму наибольшие трудности) представляет осуществление в сферы с радиусом не более 2–3 cm.

разрядных LC-контурах замыкания индуктивной нагрузСледует, однако, подчеркнуть, что величина радиуки или подвода к ней дополнительной энергии именно в са плазменного столба, соответствующая некоторому момент первого максимума тока [7].

моменту времени разрядного процесса и обеспечиваОсновные полученные нами описанным выше методом ющая замыкание катушки в этот момент, устойчиво результаты заключаются в следующем. При колебатель- сохраняется и воспроизводится от разряда к разряду, ном разряде с малым затуханием расширение столба хотя направление его может быть различным. Об этом продолжается в течение по крайней мере двух периодов свидетельствует исключительно высокая стабильность тока, причем, по нашим оценкам, с монотонно убыва- срабатывания плазменного кроубара при заданном rk ющей скоростью. Наибольшая скорость расширения, в и неизменных параметрах разрядной цепи, включая в несколько и более раз превышающая Vmid, наблюдается их число форму электродов тригатрона, состояние их в начальный стадии разряда. Так, при f 102 Hz и рабочих поверхностей, а также длину разрядного проW = 16 kJ средняя за время m/3 от начала разряда межутка.

скорость расширения столба в четыре раза превышает Нужно отметить, что сферичность формы и состоVmid 0.02 mm/µs. К первому максимуму тока расши- яние поверхностей (чистота, отсутствие неровностей, рение столба существенно замедляется, однако дальней- мест оплавлений и т. п.) электродов разрядника особенно шее его расширение происходит еще более медленно.

важны при низких (< 3 kHz) частотах разрядного тока.

В случае разрядов с большим затуханием, когда ос- Для разрядов с m < 8 · 10-5 s высокая стабильность циллограмма отчетливо регистрирует не более одного– кроубара сохраняется и при сильно деформированных двух периодов тока, плазменный кроубар срабатывает и загрязненных (вследствие обгорания и оплавления) (при любом радиусе кроубарного электрода) только в поверхностях электродов.

первом периоде, т. е. в течение его уже достигается На рис. 2 для энергии разряда W = 16 kJ представлены максимальный поперечный размер плазменного столба.

графики зависимости Vmid и rk от частоты LC-контура, Для всех наших разрядов симметричная (цилиндри- которая находилась, как указывалось выше, из осциллоческая) форма столба сохранялась не более чем в те- грамм разрядного тока, полученных с помощью пояса чение 2 · 10-4 s от начала разряда. Заметим, что при Роговского с RC-интегратором.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Расширение искровых каналов в воздухе и возможности плазменного кроубара... f < 3 kHz и 15% для f > 3 kHz, что делает ее полезной при практическом применении схемы рис. 1 [2,8]. Полезным также может быть следующее экспериментально установленное неравенство: rk < r1 < 1.5rk, где r1 — радиус кроубарного электрода для замыкания катушки в первом минимуме разрядного тока.

Изложенные выше результаты дают основание сделать два вывода. Во-первых, метод контакта плазмы с металлом вполне работоспособен и применим для изучения газовых разрядов. Во-вторых, и это гораздо важнее с точки зрения цели данной работы, автоматический плазменный кроубар представляет собой универсальный замыкатель индуктивной нагрузки, который может найти самое широкое применение в технике больших импульсных токов и магнитных полей. Можно указать на следующие его преимущества перед другими замыкателями, описанными в известной литературе [2,7,9]: а) чрезвычайная простота технического решения и доступность Рис. 3. Зависимость диаметра 2rk кроубарного электрода, его реализации для самого широкого круга эксперизамыкающего катушку в первом максимуме тока, от энергии ментаторов; б) отсутствие ограничений на амплитуды разряда для различных частот LC-контура. f = 100 Hz (1), токов (возможно параллельное включение тригатронов, 1.1. kHz (2), 2.1 kHz (3), 5.5 kHz (4), 9 kHz (5); m = 2400 (1);

при этом вовсе не обязательно каждый из них снабжать 110 (2, 3); 40 (4), 23 µs (5).

кроубарным электродом); в) диапазон m от 10-3 до 10-5 s включает в себя наиболее часто применяющиеся в практике длительности больших импульсных токов Вплоть f 3 kHz Vmid почти линейно растет с ростом и магнитных полей (по-видимому, плазменный кроубар частоты, вследствие чего диаметр 2rk кроубарного элекприменим и в более широком диапазоне m, однако здесь трода не изменяется. Интересно, что первое заметное требуются дополнительные исследования).

отклонение от линейной зависимости наблюдается тогда, Что касается недостатков плазменного кроубара как когда значение Vmid достигает скорости звука в воздухе устройства, то они те же, что и у искровых воздушных (0.33 mm/µs). Возможно, что это связано с уменьшениразрядников [7] (шум при работе, особенно при больших ем его сжимаемости, зависящей от отношения скорости мощностях разрядов, обгорание и оплавление кроубарударной волны к скорости звука (число Маха).

ных электродов и т. п.). Здесь следует заметить, что В сущности кривые на рис. 2 показывают зависимости нет причин сомневаться в том, что плазменный кроубар Vmid и rk от мощности разряда, определяемой отношением W/m, величины которой изменяются от 6 · 106 применим в сочетании с вакуумными разрядниками или разрядниками высокого давления, обладающими рядом ( f 102 Hz, m = 2.4 · 10-3 s) до 7 · 108 W ( f 9 kHz, преимуществ перед воздушными. Однако при этом неизm = 2.3·10-5 s). Очевидно, что рост Vmid с увеличением бежно частично или полностью будут утрачены основмощности имеет тенденцию к насыщению, по достиженые преимущества ”воздушного” кроубара — простота нии которого rk не зависел бы (или очень слабо зависел эксплуатации и универсальность, т. е. применимость (при бы) от энергии разряда. Возможность такого характера смене кроубарных электродов) в LC-контурах с различрасширения столба в течение m подтверждается и криными параметрами.

выми зависимости rk от энергии для различных частот Необходимо также отметить, что технические возLC-контура, представленными на рис. 3. Из них также можности плазменного кроубара далеко не исчерпывавидно, что насыщение, если оно существует, достигается ются схемой на рис. 1. И в принципиальном, и в при мощностях разрядов, существенно превышающих конструктивном плане возможны многие другие вари 2·109 W, при которой число Маха для Vmid уже равно анты реализации плазменного кроубара. Например, с (рис. 3, кривая 5).

использованием нескольких кроубарных электродов или Приведенная на графиках зависимость rk от частоты одного тригатрона и нескольких неуправляемых рази энергии разрядной цепи может быть представлена рядников, размещенных на определенных расстояниях следующей эмпирической формулой:

друг от друга так, что при поджиге тригатрона благодаря расширению плазмы происходит одновременное rk = W0.2, 17 + f или поочередное автоматическое включение остальных разрядников (программируемый разряд [10,11]).

где W —в kJ, f — в kHz, r — в cm.

Погрешность этой формулы в указанных на рис. 2 Реализация уже простейших вариантов схемы на и 3 диапазонах значений f и W не превышает 30% для рис. 1 обеспечивает получение в индуктивной нагрузке Журнал технической физики, 1998, том 68, № 136 А.К. Сойка, И.М. Вашкевич LC-контура следующих импульсов тока (магнитного по- [14] Бойко Б.Б., Сойка А.К., Качан А.И. А.С. № 1250057. БИ.

1986. № 29. С. 265.

ля): 1) в виде полу- или одной волны синусоиды — за[15] Сойка А.К., Вашкевич И.М. // ПТЭ. 1996. № 5.

мыкание нагрузки в первом или во втором минимуме то[16] Сойка А.К., Бойко Б.Б., Вашкевич И.М. // ДАН Беларуси.

ка [12,13]; 2) асимметричных импульсов с синусоидаль1996. Т. 40. № 1. С. 46–49.

ным фронтом и экспоненциальным срезом — замыкание [17] Бойко Б.Б., Сойка А.К., Митьковская Л.П. А.С.

в первом максимуме тока (пассивный кроубар) [14–16];

№ 1701032. БИ. 1991. № 47. С. 241.

3) импульсов в виде затухающей синусоиды, полуволны [18] Бойко Б.Б., Сойка А.К., Митьковская Л.П. // ДАН БССР.

которой имеют плоские вершины — замыкание катушки 1990. Т. 34. С. 1073–1076.

в первом максимуме тока с последовательно включенными в кроубарный участок ab разрядной цепи (рис. 1) конденсаторной батареей и небольшой индуктивностью (активный кроубар); 4) импульсов, близких к прямоугольным, — активный кроубар, как в 3, плюс второй кроубарный электрод, замыкающий выводы катушки в конце первой полуволны [17,18] (в этом случае первый кроубарный электрод должен быть ”полупрозрачным” для плазмы, т. е., например, выполненным в виде сетки, или иметь по всей поверхности сквозные радиальные отверстия).

Pages:     || 2 |



© 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.