Плазменный инжектор
Иллюстрации
Реферат
т ню. техн-„чт,.;;»
Лкп1,3, д т=,д
ОПИСАНИЕ () у4о
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Союз Советских
Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61)Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 280769 (21) 1353015/26-25 с присоединением заявки Йо— (511М g 3
Н 05 Н 1/20
Н 05 В 7/06 (23)Приоритет по п.1 19.10.68 (М 1276935/26-25)
Опубликовано 231132. Бюллетень Йо 43
Государственный аомнтет
СССР но мелам нзобретеннй н открытий
1 (53) УДК533. 9. .07(088.8) Дата опубликования описания 19,01 83 (72) Авторы изобретения
В.С. Комельков и В.И. Иодзолевский (71) Заявитель (54) PJIA3REHHbiA ИНЖЕКТОР
Изобретение относится к устройствам для получения и инжекции плазьхя, именуетт м обычно плазменными инжекторами или плазменными пушками .
Известны импульсные плазменные инжекторы, в которых наиболее часто используется электродная система в виде двух коаксиально расположенных цилиндрических электродов. Внутренний и наружный электроды имеют одинаковую длину на всем пути ускорения от отверстий напуска газа, т.е. места начального пробоя, до выхода в плазмовод. Обычно диаметр внутреннего электрода Равен 2-5 см, наружного 5-10, см, длина 6-60 см. После импулвсного напуска газа в межэлектродное пространство, предварительно откачениое до глубокого вакуума, и подачи напряжения на электроды про- исходит пробой первоначально в виде нескольких каналов. Образующийся токовый слой с канальной структурой при соблюдении некоторых условий, а именно величины и профилей давления рабочеГО raза В межэлеКтрОдном пространстве, величины и скорости нарастания разрядного тока, переходит в сплошной, т.е. с однородным распределением тока в скин-слое. При этом резко улучшаются условия ионизации, захвата и ускорения плазмы.
При движении токового слоя вдоль электродов плазма загрязняется примесями, появляющимися в результате испарения электродов из-за привязок относительно неподвижных каналов с
Высокой плотностью тока. Поэтому попытки повышения разрядных токов и ускорякщих магнитных полей в таких конструкциях не дали положительных результатов и привели лишь к увеличению эрозии электродов.
Цель изобретения — разработка элек-. тродной системы инжектора, которая позволила бы существенно увеличить ускоряющие магнитные поля до величин, -20 определяемых предельно допустимы1кн деформациями материала электродов, например, 500 кЭ вЂ” для лату,ни и 1000 кЭ -.для тантала; исключить центральный электрод из области ускорения и тем самым избавиться от примесей, поступающих в плазму в результате его эрозии; работать при давлениях рабочего газа в межзлектродном пространстве перед пробоем порядка атмосферного и выше стабилвно формировать сплошной токовый
307742 поршень за времена порядка 0,1 части периода тока в Контуре.
Предлагаемый инжектор отличается тем, что внешний электрод выполнен в виде конуса, переходящего в цилиндр, а внутренний — в виде стержня, расположенного на era оси только в пределах конуса. размеры межзлектродного зазора вблизи торца внутреннего электрода обеспечивают плотность тока в зазоре не меньше 10 А/см при 10 амплитудах тока в сотни килоамперов кА, а длина; цилиндрической части внешнего электрода — не меньше расстояния, на которое токовый слой смещается к моменту образования сплошного токового поршня, и не больше расстояния, на которое он смещается к моменту достижения магнитным полем величины .200-300 кЭ у внешнего электрода.
С целью устранения металла из зоны наивысших плотностей тока стержнеь и электрод целесообразно выполнять полым.
Диаметр основания конической части внешнего электрода гарантирует электрическую прочность по изоляции и пробой у торца стержневого электрода высота конической части выбрана минимальной для уменьшения паразитной индуктивности и в то же время ЗО достаточной для предотвращения эрозии изоляции при наличии излучения и ударных волн, приходящих из разрядйой зоны.
В инжекторах, известных как пушки
Маршалла, полезно используемое количество рабочего газа не пренышает
50-10 r применяемый ток не выше
100-150 кА и максимальные магнитные поля у внешнего электрода порядка 4Î
10 кЭ. Инжектор же предлагаемой конструкции с внутренним электродом диаметром 4 мм, цилиндрической частью диа- метром и длиной соответственно 12 45 и 50 мм позволяет разогнать массу рабочего газа 6,5 ° 10 r до скорости
3 ° 106 см/с при амплитудном значении тока 600 кА и среднем значении ускоряющего магнитного поля 400 кЭ за время 3 мкс при периоде тока в контуре 12 мкс.
На чертеже изображена электродная схема инжектора, Внешний электрод 1 выполнен в Виде конуса, переходящего в цилиндр.
В пределах конической части на оси расположен стержневой внутренний электрод 2, торец которого в цилиндрическую часть не заходит. В стерж- 60 не имеется цилиндрический канал, куда давлением магнитного поля выбрасывается металл иэ зоны наивысшей плотности тока у торца ннутреннего электрода. В принципе канал может .$5 быть сквозным; однако следует иметь в виду, что чем он длиннее, тем больше паразитная индуктивность электродной системы .
Коническая часть, являющаяся токопроводом, одновременно служит для отдаления от изоляции места начального пробоя с целью предотвращения испарения изоляции и загрязнения ею разрядной плазмы. Однако ее не следует делать черезмерно большой иэ-за нарастания паразитной индуктивности цепи .
Цилиндрическая часть, находящаяся,в области формирования сплошного токового поршня, предотвращает боковое расширение тока и повышение плотности тока во фронте. Она позволяет сформировать токовый слой с плотностью тока порядка 10 A/ñì
2прн которой плазменный поршень становится сплошным, что обеспечивает наиболее полный захват газа. Длина ее поэтому не может быть меньшей той, при которой обеспечивается требуемая сплошность фронта плазмы. С другой стороны, она не может бить черезмерно большой из-за ухода горячих частиц на внешний электрод и образование в тылу так называемых привязок - шунтирующих перемычек, замыкающих на себя часть тока за счет уменьшения тока во фронте. Этот нежелательный эффект, как показал эксперимент, снижается в полях 200300 кЭ. Поэтому для устойчивого движения струи необходимо, чтобы ее выход за пределы сопла при ускорении токами ныноса происходил . при полях не ниже указанной величины.
Место перехода конической части в цилиндрическую задает область начального пробоя при давлениях рабочего газа в межэлектродном пространстве выше 100 Торр.
Эазор между торцом внутреннего электрода и внешним электродом должен обеспечивать плотность тока в зазоре не меньше 10 A/ñì при амплитудах тока в сотни килоаипер для образования сплошного токоного поршня.
После подачи напряжения на электроды и пробоя ток протекает в нескольких каналах. По мере роста тока число каналов увеличивается, пока токовый фронт не станет сплошным, В сравнении с пушкой Маршалла в сильных ускоряющих магйитных полях скорость токовых привязок растет и эрозия внешнего электрода уменьшается. Будучи плазменным продолжением стержневого электрода, токовый шнур, сжимаемый магнитным полем H9, может быть меньше металлических электродов,. плотность тока в которых ограничена пределом, при котором взры
ЗОЛ42
Формула изобретения вается скйн-слой материала. Кроме того, размещение электрода в зоне высоких плотностей тока привело бы к его эрозии и загрязнению ускоряемой плазмы, После выхода токового слоя за
S пределы электродной систеьая разрядный ток продолжает увеличиваться.
Ускорение теперЬ осуществляется вынесенным током." Образуется струя 3, имеющая коаксиальную структуру1 наружный плазменный коаксиал 4 и внутренний токовый шнур 5. Время ускорения определяется длительностью протекания тока во фронте струи.
Описанное устройство обеспечивает 15 получение принципиально нового положительного эффекта в сравнении с ранее известными импульсными инжекторами, а именно - формирование струи, а не сгустка и ускорение ее выне- 2р сенными токами вне электродов в течение времени, определяемого длительностью протекания тока во фронте струи.
1. Плазменный инжектор, содержащий внешний и внутренний коаксиально расположенные электроды, и средства подвода к ним импульсных электрических токов, о т л и ч а ю щ и Aс я тем, что, с целью увеличения энерговклада в ускоряемую плазму, внешний электрод выполнен в виде конуса, переходящего в цилиндр, а внутренний в виде стержня, расположенного в пределах конусной части внешнего электрода.
2. Инжектор, по п.1, о т л и— ч а ю щ u A с я тем, что, с целью повьиаения эффективности захвата ускоряемого газа, внутренний диаметр цилиндрической части внешнего электрода выбран так, что средняя плотность тока в ней не ниже критической, обеспечивающей переход канальной структуры токового поршня в сплоыную, например,10 A/ñì ", для давления рабочего тела 1 атм.
3. Инжектор по пп.1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности ускорения плазмы, длина цилиндрической части внешнего электрода выбрана так, что время продвижения плазменной струи внутри нее находится в пределах от
0,4 до 0,8 времени нарастания импульса, тока.
4 ° Инжектор по пп.1-3, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения эрозии внутреннего стержневого электрода, он выполнен полым, причем диаметр отверстия выбран так, что средняя плотность тока в нем меньше критической, приводящей к взрыву скин-слоя.
ВНИИПИ Эаказ 11188/б
Тирам 862 Подписное
Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,4, ппп ° ïàòåíòi зак. 3 233