RU2114520C1

RU2114520C1 - Pulse-operated plasma plant

Info

Publication number: RU2114520C1
Application number: RU96119512A
Authority: RU
Inventors: В.П. Лежепеков; И.В. Лежепеков; А.М. Смаглиев
Original assignee: Кубанский государственный технологический университет
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-06-27

Abstract

FIELD: plasma engineering. SUBSTANCE: plant has two high-voltage electrodes, auxiliary- arc power supply, pulse-current generator, dielectric reflecting wall, and blowout coil; negative electrode is movable structure rigidly coupled with electromagnet armature whose coil is inserted between mentioned electrode and negative pole of auxiliary-arc power supply; mentioned coil is connected to electrode by means of flexible conductor. Arc stretching takes place due to setting electrodes apart by means of electromagnet. In the process, arc reference points are securely arranged at ends of electrodes and vapor jet of cathode flows over auxiliary-arc column and additionally stabilizes its electrical and physical characteristics. As soon as auxiliary arc attains desired parameters, blowout coil power supply is started, and high-voltage discharge is initiated between electrodes. Blowout coil is placed directly behind reflecting wall with the result that plasmoid is attracted to cold reflecting wall and as if rolls out over its surface into thin film. In the process, screening action of plasma particles greatly reduces and radiating surface increases. EFFECT: improved radiation intensity. 1 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а более точно к устройствам с косвенным нагревом дуговым разрядом, и может быть использовано как источник интенсивного светового излучения. The invention relates to plasma technology, and more specifically to devices with indirect heating by an arc discharge, and can be used as a source of intense light radiation.

Известен импульсный плазменный ускоритель эрозионного типа (Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. -М.: Машиностроение, 1975, с. 198 - 208), принятый в качестве прототипа. Который содержит плазмотрон, имеющий два высоковольтных электрода, генератор импульсного тока, источник инициирования вспомогательного разряда, блок управления, разрядную камеру и сопло. Ускорение потока плазмы достигается посредством создания высокого давления в камере устройства, а также за счет взаимодействия осевых холловских токов с азимутальным магнитным полем, образованным током, текущим по центральному электроду. Плазмообразующий газ получается непосредственно в камере ускорителя при действии электрического разряда на стенку камеры, выполненную из газогенерирующего материала (например, фибры, меди, оргстекла). При этом газодинамические и магнитные силы не уравновешивают друг друга, вследствие чего на срезе ускорителя образуется самосжимающаяся область повышенной температуры и плотности, так называемый плазменный фокус, являющийся источником интенсивного светового излучения. Known pulsed plasma accelerator of an erosion type (Grishin S.D., Leskov L.V., Kozlov N.P. Electric rocket engines. -M.: Mechanical Engineering, 1975, S. 198 - 208), adopted as a prototype. Which contains a plasmatron having two high-voltage electrodes, a pulse current generator, an auxiliary discharge initiation source, a control unit, a discharge chamber and a nozzle. The acceleration of the plasma flow is achieved by creating high pressure in the chamber of the device, as well as due to the interaction of the axial Hall currents with the azimuthal magnetic field formed by the current flowing through the central electrode. Plasma-forming gas is obtained directly in the accelerator chamber under the action of an electric discharge on the chamber wall made of gas-generating material (for example, fiber, copper, plexiglass). In this case, the gas-dynamic and magnetic forces do not balance each other, as a result of which a self-contracting region of elevated temperature and density, the so-called plasma focus, which is a source of intense light radiation, forms on the edge of the accelerator.

Перемещение высоковольтного сильноточного импульсного разряда по электродам устройства в течение всего периода работы обусловливает их повышенный износ, а разрушение стенки разрядной камеры, имеющее место при генерации плазмообразующего газа, уменьшает ресурс работы устройства. Кроме того, взаимное экранирование частиц плазменного фокуса ограничивает интенсивность излучения. Снижение напряжения и мощности разряда, перемещающегося по электродам устройства, хотя и способно снизить термическую нагрузку на его элементы, однако, в свою очередь, чревато резким падением интенсивности излучения, кроме того, при движении дуги по направляющим электродам в поперечном магнитном поле практически невозможно обеспечить стабильность таких ее характеристик, как ток, удельная проводимость, скорость перемещения, постоянство формы (сечения, длины, радиуса кривизны), что ведет к разбросу параметров процесса разряда и генерации излучения. The movement of a high-voltage high-current pulse discharge along the electrodes of the device during the entire period of operation causes their increased wear, and the destruction of the wall of the discharge chamber that occurs during the generation of a plasma-forming gas reduces the life of the device. In addition, the mutual shielding of plasma focus particles limits the radiation intensity. Although the voltage and power of the discharge moving along the electrodes of the device can be reduced, although it can reduce the thermal load on its elements, it is, in turn, fraught with a sharp drop in the radiation intensity; moreover, when the arc moves along the guide electrodes in a transverse magnetic field, it is almost impossible to ensure stability such characteristics as current, conductivity, displacement velocity, constancy of shape (section, length, radius of curvature), which leads to a spread in the parameters of the discharge and generation process radiation.

По сравнению с устройством прототипа предлагаемое изобретение позволяет обеспечить заданную стабилизацию характеристик и формы дуги непосредственно в момент высоковольтного разряда, существенно повысить интенсивность излучения при сопоставимых энергетических затратах, а также значительно уменьшить термическую нагрузку на элементы устройства. Compared with the prototype device, the present invention allows for the stabilization of the characteristics and shape of the arc directly at the time of the high-voltage discharge, significantly increase the radiation intensity at comparable energy costs, and significantly reduce the thermal load on the elements of the device.

Это достигается тем, что предлагаемое устройство, содержащее положительный и отрицательный электроды, источник питания вспомогательной дуги и генератор импульсного тока, снабжено электромагнитом, отражающей стенкой из диэлектрического материала и обмоткой магнитного дутья, соединенной с источником выпрямленного напряжения, при этом отрицательный электрод жестко связан с якорем электромагнита, обмотка которого включена между указанным электродом и отрицательным полюсом источника питания вспомогательной дуги, причем с электродом она связана гибким проводом, а обмотка магнитного дутья размещена непосредственно за отражающей стенкой и присоединена к источнику выпрямленного напряжения. This is achieved by the fact that the proposed device containing positive and negative electrodes, an auxiliary arc power source and a pulse current generator is equipped with an electromagnet, a reflective wall of dielectric material and a magnetic blast winding connected to the rectified voltage source, while the negative electrode is rigidly connected to the armature an electromagnet whose winding is connected between the specified electrode and the negative pole of the auxiliary arc power source, and with the electrode about and associated flexible conductor, and magnetic blast coil is placed directly behind the reflective wall and connected to a source of rectified voltage.

Существенные отличия предлагаемого устройства от прототипа заключаются в том, что устройство предлагаемого изобретения содержит электромагнит, предназначенный для разведения электродов, отражающую стенку из диэлектрического материала, при контакте плазменного сгустка с которой происходит генерация интенсивного светового излучения, и обмотку магнитного дутья, обеспечивающую контакт плазмы и отражающей стенки, при этом отрицательный электрод выполнен подвижным и жестко связан с якорем электромагнита, обмотка которого включена между указанным электродом и отрицательным полюсом источника питания вспомогательной дуги, причем с электродом она связана гибким проводом. Это сделано ввиду того обстоятельства, что в устройстве предлагаемого изобретения дуга растягивается до момента достижения ею заданных энергетических и геометрических параметров, после чего осуществляется ее пробой высоковольтным разрядом. Растяжение дуги осуществляется за счет раздвижения электродов посредством электромагнита. При этом опорные точки дуги располагаются на концах электродов неподвижно, а паровая катодная струя, обтекая столб дуги, дополнительно стабилизирует ее электрофизические характеристики. Кроме того, размещение обмотки магнитного дутья непосредственно за отражающей стенкой улучшает динамический контакт плазмы с поверхностью стенки. Significant differences of the proposed device from the prototype are that the device of the present invention contains an electromagnet designed to dilute the electrodes, a reflecting wall of dielectric material, when a plasma bunch comes into contact with the generation of intense light radiation, and a magnetic blast winding that provides plasma and reflective contact walls, while the negative electrode is movable and is rigidly connected to the armature of the electromagnet, the winding of which is connected between the specified electrode and the negative pole of the auxiliary arc power source, moreover, it is connected to the electrode by a flexible wire. This is done due to the fact that in the device of the invention, the arc is stretched until it reaches the specified energy and geometric parameters, after which it is broken by a high-voltage discharge. The arc is stretched by expanding the electrodes by means of an electromagnet. In this case, the reference points of the arc are stationary at the ends of the electrodes, and the steam cathode stream flowing around the column of the arc further stabilizes its electrophysical characteristics. In addition, placing the magnetic blast winding directly behind the reflective wall improves the dynamic contact of the plasma with the wall surface.

На чертеже представлена общая схема импульсной плазменной установки. The drawing shows a General diagram of a pulsed plasma installation.

Установка содержит высоковольтные электроды 1 и 2 (1 - катод, 2 - анод), источник 3 питания вспомогательной дуги, представляющий собой регулируемый источник выпрямленного тока, дроссель 4, генератор импульсного тока, включающий высоковольтный конденсатор 5, источник 6 высокого выпрямленного напряжения, резистор 7, осциллятор 8 и разрядник 9, а также отражающую стенку 10 из диэлектрического материала, обмотку 11 магнитного дутья и электромагнит, состоящий из обмотки 12, якоря 13, пружины 14 и изолирующей втулки 15. The installation contains high voltage electrodes 1 and 2 (1 - cathode, 2 - anode), auxiliary arc power source 3, which is an adjustable rectified current source, inductor 4, pulse current generator, including high voltage capacitor 5, high rectified voltage source 6, resistor 7 , an oscillator 8 and a spark gap 9, as well as a reflecting wall 10 of dielectric material, a magnetic blast winding 11 and an electromagnet consisting of a winding 12, an armature 13, a spring 14 and an insulating sleeve 15.

Отрицательный электрод 2 жестко связан с якорем 13 электромагнита, обмотка 12 которого включена между электродом 2 и отрицательным полюсом источника 3, причем с электродом она связана гибким проводом, а электрод 1 подключен к положительному полюсу источника 3 через дроссель 4. Высоковольтный конденсатор 5 связан с источником 6 через резистор 7 и через осциллятор 8 и разрядник 9 подключен параллельно электродам 1 и 2. Отражающая стенка 10 расположена вблизи разрядного промежутка 16, причем обмотка 11 магнитного дутья расположена непосредственно за отражающей стенкой. Цепи контроля и управления источника 3 связаны с цепью пуска осциллятора 8. Обмотка 11 питается от источника выпрямленного напряжения, который при необходимости может быть выполнен регулируемым (не показан). The negative electrode 2 is rigidly connected to the armature 13 of the electromagnet, the winding 12 of which is connected between the electrode 2 and the negative pole of the source 3, and it is connected to the electrode by a flexible wire, and the electrode 1 is connected to the positive pole of the source 3 through the inductor 4. The high-voltage capacitor 5 is connected to the source 6 through a resistor 7 and through an oscillator 8 and a spark gap 9 is connected in parallel with the electrodes 1 and 2. The reflecting wall 10 is located near the discharge gap 16, and the winding 11 of the magnetic blast is located directly behind the wall. The control and control circuits of the source 3 are connected to the start circuit of the oscillator 8. The winding 11 is powered by a rectified voltage source, which, if necessary, can be made adjustable (not shown).

Установка работает следующим образом. Installation works as follows.

В начальном положении электроды 1 и 2 сведены вместе. Перед включением источника 3 конденсатор 5 должен быть полностью заряжен. При запуске источника 3 образуется следующая цепь тока: положительный полюс источника 3, дроссель 4, электрод 1, электрод 2, обмотка 12 электромагнита, отрицательный полюс источника 3. В результате протекания тока через обмотку 12 якорь 13 втягивается в обмотку, одновременно перемещая электрод 2. В результате разведения электродов 1 и 2 между ними зажигается вспомогательная дуга, стабильность параметров которой (тока, удельной проводимости) обеспечивается за счет регулирующего действия источника 3 и дросселя 4. По достижении вспомогательной дугой заданной длины при условии стабильности ее электрических характеристик от источника 3 на осциллятор 8 и на источник питания обмотки магнитного дутья подается пусковой импульс, осциллятор срабатывает и пробивает промежуток разрядника 9, замыкая цепь разряда высоковольтного конденсатора 5 и инициируя высоковольтный разряд между электродами 1 и 2. Разрядник 9 в данной схеме предназначен для предотвращения возможности включения генератора импульсного тока при недостаточном заряде конденсатора. Время заряда конденсатора 5 определяется наряду с его емкостью величиной сопротивления резистора 7. В результате взаимодействия магнитных полей дуги и обмотки 11 магнитного дутья сгусток плазмы притягивается к холодной отражающей стенке и как бы раскатывается по ней в тонкую пленку, в связи с чем снижается экранирующее действие частиц плазмы. При этом ввиду малой толщины плазменной пленки и большой площади излучающей поверхности интенсивность излучения плазмы существенно усиливается. In the initial position, the electrodes 1 and 2 are brought together. Before turning on the source 3, the capacitor 5 must be fully charged. When starting source 3, the following current circuit is formed: the positive pole of source 3, inductor 4, electrode 1, electrode 2, electromagnet winding 12, negative pole of source 3. As a result of the current flowing through winding 12, the armature 13 is drawn into the winding while moving electrode 2. As a result of the dilution of the electrodes 1 and 2, an auxiliary arc is ignited between them, the stability of the parameters of which (current, conductivity) is ensured by the regulatory action of the source 3 and inductor 4. Upon reaching the auxiliary arc of a given length, provided that its electrical characteristics are stable from source 3 to the oscillator 8 and to the power supply of the magnetic blast coil, a trigger pulse is supplied, the oscillator trips and breaks the gap of the spark gap 9, closing the discharge circuit of the high voltage capacitor 5 and initiating a high voltage discharge between electrodes 1 and 2. Discharger 9 in this circuit is designed to prevent the possibility of turning on the pulse current generator when the capacitor is insufficiently charged. The charge time of the capacitor 5 is determined along with its capacity by the resistance value of the resistor 7. As a result of the interaction of the magnetic fields of the arc and the winding 11 of the magnetic blast, the plasma bunch is attracted to the cold reflecting wall and, as it were, rolls through it into a thin film, which reduces the screening effect of the particles plasma. Moreover, due to the small thickness of the plasma film and the large area of the emitting surface, the plasma radiation intensity is significantly enhanced.

Такая конструкция позволяет предварительно сформировать параметры вспомогательной дуги, однозначно определяющие характер процесса протекания высоковольтного разряда, благодаря чему высоковольтный разряд с заданными характеристиками формируется только в конце периода работы, что снижает термическую нагрузку на элементы устройства. Кроме того, механизм генерации излучения с применением отражающей стенки, реализованный в данном устройстве, позволяет существенно снизить экранирующий эффект частиц плазмы, что при сопоставимых энергетических затратах обеспечивает более высокую интенсивность излучения. В свою очередь, размещение обмотки магнитного дутья непосредственно за отражающей стенкой дополнительно улучшает динамический контакт плазмы с поверхностью стенки. This design allows you to pre-form the parameters of the auxiliary arc, which uniquely determines the nature of the process of the high-voltage discharge, so that a high-voltage discharge with specified characteristics is formed only at the end of the period of operation, which reduces the thermal load on the elements of the device. In addition, the mechanism of radiation generation using a reflecting wall, implemented in this device, can significantly reduce the screening effect of plasma particles, which, at comparable energy costs, provides a higher radiation intensity. In turn, placing the magnetic blast coil directly behind the reflective wall further improves the dynamic contact of the plasma with the wall surface.

Claims

A pulsed plasma installation containing positive and negative electrodes, an auxiliary arc power source and a pulse current generator, characterized in that it is equipped with an electromagnet, a reflective wall of dielectric material and a magnetic blast winding connected to a rectified voltage source, while the negative electrode is rigidly connected to an electromagnet anchor, the winding of which is connected between the specified electrode and the negative pole of the auxiliary arc power source, and with Trodena it involves a flexible cable and a magnetic coil is placed directly behind the blast reflective wall.