RU2457638C2 - Plasma optical radiation source - Google Patents
Plasma optical radiation source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2457638C2 RU2457638C2 RU2010143945/07A RU2010143945A RU2457638C2 RU 2457638 C2 RU2457638 C2 RU 2457638C2 RU 2010143945/07 A RU2010143945/07 A RU 2010143945/07A RU 2010143945 A RU2010143945 A RU 2010143945A RU 2457638 C2 RU2457638 C2 RU 2457638C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- discharge
- thyristor rectifier
- electrode
- electrodes
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title abstract description 36
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title abstract 2
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims abstract description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract 3
- 230000001788 irregular Effects 0.000 abstract 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- 235000015854 Heliotropium curassavicum Nutrition 0.000 description 1
- 244000301682 Heliotropium curassavicum Species 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Light Sources And Details Of Projection-Printing Devices (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с управляемой плазмой, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки материалов, при испытаниях материалов, приборов, образцов техники на устойчивость к воздействию светового излучения природных и техногенных факторов.The invention relates to plasma technology, in particular to controlled plasma devices, and can be used to solve a wide range of technical problems in photochemistry, lighting technology, lighting technologies for processing materials, when testing materials, devices, equipment samples for resistance to natural light radiation and man-made factors.
Для решения таких задач требуются излучатели с широким диапазоном параметров, с различным спектральным составом излучения и с режимами работы от импульсных, длительностью свечения ~ 10-6-10-1с, до непрерывных. В ряде случаев требуется воспроизводить сложную временную форму светового импульса. Например, при исследовании воздействия излучения мощных взрывов требуется воспроизводить две фазы излучения: короткую и яркую (длительность свечения τ ~ 10-3-10-2 с, яркостная температура Tя ~ 104-105 К) фазу, обусловленную свечением ударной волны, и длительную (τ ~ 1 с, Тя ~ 103 К) фазу свечения продуктов взрыва.To solve such problems, emitters with a wide range of parameters, with different spectral composition of radiation and with operating modes from pulsed, glow duration ~ 10 -6 -10 -1 -1 s, to continuous are required. In some cases, it is required to reproduce a complex temporal shape of a light pulse. For example, when studying the effect of radiation from powerful explosions, it is required to reproduce two phases of radiation: a short and bright (luminescence duration τ ~ 10 -3 -10 -2 s, brightness temperature T i ~ 10 4 -10 5 K) phase due to the glow of the shock wave and a long (τ ~ 1 s, T i ~ 10 3 K) luminescence phase of the explosion products.
Направление развития плазменных излучателей определяется тремя задачами: достижение высоких яркостей, получение интенсивных световых потоков и увеличение полной энергии излучения. В настоящее время каждая из этих задач решается, но по отдельности. Так, увеличение длительности не представляет особой сложности в непрерывных источниках. При этом реализуемые яркости и площади излучающих поверхностей невелики (стационарно горящие дуги). Импульсные источники с большими размерами излучающей поверхности и значительными длительностями световых импульсов (термохимические генераторы, плазменные струи, истекающие в воздух) обладают невысокими яркостями. Сравнительно высокими яркостями обладают излучатели с малыми поверхностями (искра, капиллярный разряд, магнитоплазменный компрессор) и короткими световыми импульсами (ударные волны, искровые разряды, слойный импульсный разряд).The direction of development of plasma emitters is determined by three tasks: achieving high brightness, obtaining intense light fluxes and increasing the total radiation energy. Currently, each of these tasks is being solved, but separately. So, increasing the duration is not particularly difficult in continuous sources. In this case, the realized brightness and area of the emitting surfaces are small (stationary burning arcs). Pulsed sources with large dimensions of the radiating surface and significant durations of light pulses (thermochemical generators, plasma jets flowing into the air) have low brightness. The emitters with small surfaces (spark, capillary discharge, magnetoplasma compressor) and short light pulses (shock waves, spark discharges, layer pulsed discharge) have relatively high brightnesses.
Известен плазменный источник излучения [Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ. 1986. Т.2. №5, с.837], включающий источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, размещенный в корпусе и укрепленный на нем формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и магнитной катушки, последовательно включенной в цепь питания разрядного узла, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, установленных под углом 90° ко дну лотка, дно и стенки лотка покрыты плазмообразующим материалом, например полиформальдегидом, в открытых торцах лотка расположены металлические электроды, между которыми на дне лотка размещен инициатор разряда в виде полоски алюминиевой фольги, а магнитная катушка выполнена в виде плоских широких шин, проходящих под дном лотка и соединенных между собой и разрядным каналом так, что ток в шинах и в разрядном канале протекает в одном направлении, причем межэлектродный промежуток разрядного канала является частью витка магнитной катушки. Сквозные отверстия в боковых стенках лотка служат также, как и открытые торцы, стоками нарабатываемой эрозионной плазмы.Known plasma radiation source [Kalachnikov E.V., Mironov I.S., Rogovtsev P.N. et al. Study of the dynamics of radiation of a high-current magnetically pressed discharge. TVT. 1986.V.2. No. 5, p. 837], including a power source in the form of a high-voltage capacitive storage device, located in the housing and mounted on it a shaper of the emitting plasma from the discharge node and the magnetic coil, sequentially included in the power circuit of the discharge node, while the discharge node is made in the form of a tray of dielectric material with a flat bottom and through holes in the side walls installed at an angle of 90 ° to the bottom of the tray, the bottom and walls of the tray are covered with a plasma-forming material, for example polyformaldehyde, in the open ends of the tray metal electrodes are located, between which a discharge initiator in the form of a strip of aluminum foil is placed on the bottom of the tray, and the magnetic coil is made in the form of flat wide tires passing under the bottom of the tray and connected to each other and the discharge channel so that current flows in the tires and in the discharge channel in one direction, and the interelectrode gap of the discharge channel is part of the coil of the magnetic coil. The through holes in the side walls of the tray also serve, like the open ends, as drains of the generated erosive plasma.
Плазменный источник излучения такой конструкции с последовательным включением разрядного узла и магнитной катушки является эффективным излучателем лишь в области максимума разрядного тока, когда магнитное и газовое давление в плазме выравниваются, и происходит стабилизация разряда. Основным недостатком данной конструкции является возможность работы только в импульсном режиме.A plasma source of radiation of this design with the series connection of the discharge unit and the magnetic coil is an effective emitter only in the region of the maximum discharge current, when the magnetic and gas pressure in the plasma are equalized, and the discharge is stabilized. The main disadvantage of this design is the ability to work only in pulsed mode.
Известен выбранный нами в качестве прототипа плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК8 Н05Н 1/50, приор. 20.10.2008], включающий источник питания в виде тиристорного выпрямителя, формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и узла создания прижимающего магнитного поля в виде электромагнита, при этом разрядный узел выполнен в виде установленного в зазоре сердечника электромагнита лотка из диэлектрического материала с покрытием из термостойкого материала на основе соединений легкоионизуемых элементов, с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, в открытых торцах лотка расположены электроды из графита, соединенные между собой инициатором разряда.Known we have chosen as a prototype plasma light source [Pat. RF №2370002, IPC 8
Такое устройство с блоком питания в виде тиристорного выпрямителя позволяет получать плазму с излучением, близким к излучению абсолютно черного тела (АЧТ) в течение длительного времени. Яркостная температура и площадь излучающей поверхности в этом устройстве определяются из соотношения: Wэл=I2R=σТ4Sполн, где Wэл - вкладываемая в плазменный канал электрическая мощность, I - ток разряда, R - омическое сопротивление плазменного канала, σ -постоянная Стефана-Больцмана, Sполн - площадь всей поверхности плазмы. Из уравнения баланса следует, что
где ρ - удельное сопротивление плазмы, Sc - площадь сечения плазменного канала.where ρ is the resistivity of the plasma, S c is the cross-sectional area of the plasma channel.
Удельное сопротивление плазмы рассчитывается по формуле Спитцера:The specific resistance of the plasma is calculated by the Spitzer formula:
Здесь Λ - кулоновский логарифмHere Λ is the Coulomb logarithm
Z - зарядовое число, nе - концентрация электронов.Z is the charge number, n e is the electron concentration.
Расчеты показывают, что при габаритах плазменного канала 8×2×1 см, реализованных в устройстве-прототипе, для получения Тя на уровне 104 - 5·105 К требуются разрядные токи I~104-106 А. В прототипе токи такой величины получить невозможно, поэтому существующая конструкция устройства не позволяет одновременно получать высокие пиковые яркости и большую энергию излучения, т.е. воспроизводить световые импульсы сложной формы.Calculations show that when the dimensions of the plasma channel 8 × 2 × 1 cm are implemented in the prototype device, to obtain T I at the level of 10 4 - 5 · 10 5 K, discharge currents I ~ 10 4 -10 6 A are required. In the prototype, the currents it is impossible to obtain such a value, therefore, the existing device design does not allow to simultaneously obtain high peak brightness and high radiation energy, i.e. to reproduce light pulses of complex shape.
Заявленный нами плазменный источник светового излучения позволяет создать высокоэффективный универсальный плазменный излучатель, который может работать в импульсном режиме с высокой яркостью, в квазинепрерывном режиме с большой энергией излучения, а также в комбинированном режиме, воспроизводящем сложную форму светового импульса с высокой пиковой яркостью, большой энергией излучения и значительной площадью излучающей поверхности.The plasma light source declared by us makes it possible to create a highly efficient universal plasma emitter that can operate in a pulsed mode with high brightness, in a quasi-continuous mode with high radiation energy, as well as in a combined mode that reproduces the complex shape of a light pulse with high peak brightness, high radiation energy and a significant area of the radiating surface.
Такой технический эффект достигнут нами, когда в плазменном источнике светового излучения, включающем источник питания, выполненный в виде тиристорного выпрямителя, и формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и узла создания прижимающего магнитного поля в виде электромагнита, причем разрядный узел выполнен в виде установленного в зазоре сердечника электромагнита лотка из диэлектрического материала с покрытием из термостойкого материала на основе соединений легкоионизуемых элементов с плоским дном и сквозными отверстиями в боковых стенках, в открытых торцах которого расположены электроды из графита, новым является то, что в него дополнительно введены второй источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, генератор запускающих импульсов, управляемый разрядник и выполненный из тугоплавкого металла третий электрод, установленный между торцевыми электродами и соединенный через управляемый разрядник с плюсовым выводом емкостного накопителя, при этом заземленные выводы тиристорного выпрямителя и высоковольтного емкостного накопителя соединены с одним из торцевых электродов разрядного узла, плюсовой вывод тиристорного выпрямителя соединен со вторым торцевым электродом, третий электрод и заземленный торцевой электрод соединены инициатором разряда, а генератор запускающих импульсов связан с управляемым разрядником и тиристорным выпрямителем.We have achieved such a technical effect when in a plasma light source including a power source made in the form of a thyristor rectifier and a radiating plasma shaper from a discharge unit and a pressing magnetic field generating unit in the form of an electromagnet, the discharge unit being made in the form of a core installed in the gap electromagnet of a tray made of dielectric material coated with a heat-resistant material based on compounds of easily ionized elements with a flat bottom and through holes the side walls, in the open ends of which graphite electrodes are located, it is new that it is additionally introduced a second power source in the form of a high-voltage capacitive storage, a trigger pulse generator, a controlled arrester and a third electrode made of refractory metal, mounted between the end electrodes and connected through a controlled arrester with a positive terminal of the capacitive storage, while the grounded terminals of the thyristor rectifier and high-voltage capacitive storage are connected Nena to one end of the discharge electrode assembly, the positive output thyristor rectifier connected to the second end electrode, a third electrode and a ground electrode connected to an end of the discharge initiated and probing pulse generator is associated with a controllable arrester and the thyristor rectifier.
На фиг.1 представлена электрическая схема заявленного плазменного источника светового излучения, где заземленный торцевой электрод 1, инициатор 2 разряда, плюсовой электрод 3 емкостного накопителя, торцевой электрод 4, соединенный с плюсовым выводом тиристорного выпрямителя, емкостной накопитель 5, управляемый разрядник 6 емкостного накопителя, тиристорный выпрямитель 7, генератор запускающих импульсов 8.Figure 1 presents the electrical circuit of the claimed plasma light source, where the
На фиг.2 «а» показан эскиз разрядного узла формирователя излучающей плазмы со стороны боковой стенки, а на фиг.2 «б» - со стороны торцевого электрода, где заземленный торцевой электрод 1, плюсовой электрод 3 емкостного накопителя, торцевой электрод 4, соединенный с плюсовым выводом тиристорного выпрямителя, боковая стенка 8 со сквозными отверстиями.Figure 2 "a" shows a sketch of the discharge node of the shaper of the emitting plasma from the side of the side wall, and figure 2 "b" from the side of the end electrode, where the
На фиг.3 показана фотография макета разрядного узла формирователя излучающей плазмы, где заземленный торцевой электрод 1, инициатор 2 разряда в виде полоски алюминиевой фольги, плюсовой электрод 3 емкостного накопителя, торцевой электрод 4, соединенный с плюсовым выводом тиристорного выпрямителя.Figure 3 shows a photograph of the layout of the discharge unit of the transmitter of the emitting plasma, where the
На фиг.4 в логарифмическом масштабе приведена зависимость тока I (ось ординат), протекающего в разрядном узле, от времени t (ось абсцисс). Амплитуда тока, создаваемого высоковольтным емкостным накопителем в импульсной фазе работы плазменного источника излучения, составляет 80 кА, длительность - 3·10-3 с. Амплитуда тока, создаваемого тиристорным выпрямителем в квазинепрерывной фазе работы плазменного источника излучения, составляет 5 кА, длительность - 0.25 с.Figure 4 shows on a logarithmic scale the dependence of the current I (ordinate axis) flowing in the discharge node on time t (abscissa axis). The amplitude of the current generated by the high-voltage capacitive storage in the pulse phase of the plasma radiation source is 80 kA, the duration is 3 · 10 -3 s. The amplitude of the current generated by the thyristor rectifier in the quasi-continuous phase of the plasma radiation source is 5 kA, and the duration is 0.25 s.
На фиг.5 «а» приведена зависимость яркостной температуры Тя (ось ординат) от времени t (ось абсцисс), на фиг.5 «б» - зависимости энергетической светимости W и поверхностной плотности энергии излучения Е (оси ординат) от времени (ось абсцисс) в спектральной области Δλ=300÷1100 нм в импульсной фазе работы плазменного источника излучения.Figure 5 "a" shows the dependence of the brightness temperature T i (ordinate) on time t (abscissa axis), figure 5 "b" - the dependence of the energy luminosity W and the surface radiation energy density E (ordinate) on time ( abscissa axis) in the spectral region Δλ = 300 ÷ 1100 nm in the pulsed phase of the plasma radiation source.
На фиг.6 «а» приведена зависимость Тя (ось ординат) от времени (ось абсцисс), на фиг.6 «б» - зависимости W и Е (оси ординат) от времени (ось абсцисс) в Δλ=300÷1100 нм в квазинепрерывной фазе работы плазменного источника излучения.Fig.6 "a" shows the dependence of T I (ordinate) on time (abscissa axis), Fig.6 "b" shows the dependence of W and E (ordinate) on time (abscissa axis) in Δλ = 300 ÷ 1100 nm in the quasi-continuous phase of the plasma radiation source.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Универсальный плазменный излучатель создается при использовании дугового разряда эрозионного типа. Известно, что дуговой разряд эрозионного типа, управляемый магнитным полем, не имеет ограничений на вводимую электрическую мощность и способен осуществлять полную стабилизацию плазменного канала. В качестве устройства, создающего прижимающее магнитное поле, нами выбран электромагнит с сердечником (не показан), благодаря чему в зазоре сердечника удается относительно малыми токами в сотни ампер создать пространственно-однородное магнитное поле с высокой индукцией. Выводы обмотки электромагнита подключаются к отдельному тиристорному выпрямителю (не показан). Благодаря этому появляется возможность независимо от тока разряда регулировать индукцию магнитного поля в лотке и управлять мощностью излучения разряда путем регулирования величины пондеромоторного давления в плазме. Полярность подключения обмотки электромагнита выбирается таким образом, чтобы возникающее в зазоре сердечника магнитное поле с индукцией
где В - индукция магнитного поля, А/м; Р - пондеромоторное давление в плазме разряда (Па); I - сила тока (A); a b - ширина лотка (м), выбирается такой, чтобы пондеромоторное давление в плазме разряда в начале формирования разрядного канала сдерживало расширение плазменного слоя, а затем обеспечивало необходимую степень приближения излучения плазмы к излучению абсолютно черного тела. Подходы к выбору степени приближения излучения плазмы к излучению абсолютно черного тела известны.where B is the magnetic field induction, A / m; P is the ponderomotive pressure in the discharge plasma (Pa); I is the current strength (A); a b is the width of the tray (m), it is chosen so that the ponderomotive pressure in the discharge plasma at the beginning of the formation of the discharge channel restrains the expansion of the plasma layer, and then provides the necessary degree of approximation of the plasma radiation to the radiation of a completely black body. Approaches to choosing the degree of approximation of plasma radiation to the radiation of a black body are known.
Разрядный узел, выполненный в виде диэлектрического лотка с открытыми торцами (фиг.2, 3), помещают в зазор сердечника электромагнита. В открытых торцах лотка размещаются электроды 1 и 4, а между ними - дополнительный третий электрод 3. Электрод 1 подключают к заземленным выводам мощного тиристорного выпрямителя 7 и высоковольтного емкостного накопителя 5 (фиг.1). Электрод 4 подключают к плюсовому выводу тиристорного выпрямителя 7. Благодаря этому возникает возможность в течение длительного времени пропускать через разрядный канал ток до 5 кА при относительно низком, характерном для дуговых разрядов, напряжении. Протекание тока тиристорного выпрямителя через разрядный канал обеспечивает получение большой световой энергии плазменного источника излучения при относительно невысокой яркости. Электрод 3 подключают к плюсовому выводу высоковольтного емкостного накопителя 5 через управляемый разрядник 6 (фиг.1). Благодаря этому возникает возможность пропускания через разрядный канал импульсного тока в сотни килоампер. Протекание тока высоковольтного емкостного накопителя через разрядный канал обеспечивает получение большой пиковой яркости плазменного источника излучения. При этом, поскольку электроды 3 и 4 электрически не связаны, исключается возможность попадания высокого напряжения емкостного накопителя в низковольтные цепи тиристорного выпрямителя и выход из строя последнего. Электроды 1 и 3 соединяются между собой узкой полоской алюминиевой фольги, служащей инициатором разряда 2. Площадь Sизл излучающей поверхности плазмы разряда, равная произведению длины l расстояния между торцевыми электродами на ширину b лотка, определяется исходя из температуры Тпл плазмы, светового КПД η разряда и электрической мощности Wэл тиристорного выпрямителя по формуле:The discharge unit, made in the form of a dielectric tray with open ends (figure 2, 3), is placed in the gap of the core of the electromagnet. In the open ends of the tray are placed
где σ - постоянная Стефана-Больцмана.where σ is the Stefan-Boltzmann constant.
Рабочий цикл начинается с подачи напряжения на обмотку электромагнита. После достижения током обмотки значения, выбранного для достижения необходимых параметров магнитного поля, генератор запускающих импульсов 8 подает первый импульс запуска на управляемый разрядник 6 высоковольтного емкостного накопителя 5. После срабатывания разрядника на электроды 1 и 3 подается высокое напряжение от емкостного накопителя 5. Под действием тока разряда емкостного накопителя 5 происходит электрический взрыв инициатора разряда 2 в виде полоски фольги. По образовавшемуся плазменному каналу протекает ток от высоковольтного емкостного накопителя. Под действием джоулева нагрева током емкостного накопителя плазменный канал разогревается и прижимается магнитным полем к дну лотка. Продукты возгонки материала дна и стенок лотка непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют стационарно излучающий слой. Благодаря размещению лотка в зазоре сердечника электромагнита образуется устойчивая во времени и пространстве конфигурация плазменного излучателя.The duty cycle begins by applying voltage to the electromagnet coil. After the winding current reaches the value chosen to achieve the necessary parameters of the magnetic field, the trigger pulse generator 8 delivers the first trigger pulse to the controllable spark gap 6 of the high-voltage capacitive storage device 5. After the spark gap is triggered, high voltage from the capacitive storage device 5 is applied to the
В качестве плазмообразующих материалов покрытия дна и стенок диэлектрического лотка были выбраны термостойкие керамические материалы на основе соединений легкоионизуемых элементов, таких как Са, Na, Ва, La и др., вследствие чего в плазме образуется повышенная концентрация заряженных частиц и, следовательно, увеличивается излучательная способность и мощность излучения плазмы. Кроме того, благодаря использованию плазмообразующих материалов разного состава, появляется возможность регулирования спектрального состава излучения. Термостойкие керамические материалы перечисленных типов известны.Heat-resistant ceramic materials based on compounds of easily ionizable elements such as Ca, Na, Ba, La, etc., were chosen as plasma-forming materials for coating the bottom and walls of the dielectric tray, as a result of which an increased concentration of charged particles is formed in the plasma and, therefore, the emissivity increases and plasma radiation power. In addition, due to the use of plasma-forming materials of different compositions, it becomes possible to control the spectral composition of radiation. Heat-resistant ceramic materials of these types are known.
Истекающая из промежутка между электродами 1 и 3 плазменная струя достигает электрода 4 и замыкает промежуток между электродами 1 и 4. По прошествии времени, в течение которого емкостной накопитель 5 разряжается до напряжения, меньшего или равного рабочему напряжению тиристорного выпрямителя 7, генератор запускающих импульсов 8 подает второй импульс запуска на тиристорный выпрямитель. По замкнутому плазменной струей промежутку между электродами 1 и 4 начинает протекать ток тиристорного выпрямителя.The plasma jet flowing from the gap between the
Управление амплитудой и временной формой светового импульса осуществляют подачей на вход тиристорного выпрямителя 7 управляющих напряжений соответствующей формы. Параметры управляющего напряжения зависят от выбранной схемы.The amplitude and time shape of the light pulse are controlled by applying to the input of the thyristor rectifier 7 control voltages of the corresponding form. The control voltage parameters depend on the selected circuit.
Пример конкретного исполнения (см. фиг.1-3).An example of a specific implementation (see Fig.1-3).
В нашей организации изготовлен макет универсального плазменного излучателя для интенсивного облучения на основе магнитоприжатого разряда.In our organization, a prototype of a universal plasma emitter for intense irradiation based on a magnetically pressed discharge was made.
Питание излучателя осуществляется от сетевого тиристорного агрегата 7 (КТЭУ-4000), подключенного к торцевым электродам 1 и 4, и емкостного накопителя 5, емкостью С=0,048 Ф, с зарядным напряжением до 5 кВ, подключенного к заземленному торцевому 1 и среднему 3 электродам. Агрегат КТЭУ-4000 электрической мощностью Wэл=3 МВт обеспечивает на низкоомной нагрузке ток I≈5000 А, напряжение U≈600 В. Такая электрическая мощность при η≈0,1 и Тпл=6000 К обеспечивает площадь излучающей поверхности МПР примерно 15 см2.The emitter is powered from the network thyristor unit 7 (KTEU-4000) connected to the
Линейная плотность тока I/b, способная обеспечить Тпл=6000 К, составляет ≈ 2,5÷3 кА/см (здесь b - ширина канала разряда). Следовательно, при питании МПР от сетевого тиристорного агрегата КТЭУ-4000 ширина канала разряда может быть b≈2 см и, соответственно, длина L≈8 см. При такой длине канала разряда напряженность электрического поля должна быть Е=U/L≈40 В/см, а индукция внешнего магнитного поля В, прижимающего канал разряда, примерно 8·105 А/м.The linear current density I / b, capable of providing T PL = 6000 K, is ≈ 2.5 ÷ 3 kA / cm (here b is the width of the discharge channel). Therefore, when supplying MPR from the KTEU-4000 network thyristor unit, the width of the discharge channel can be b≈2 cm and, accordingly, the length L≈8 cm. With this length of the discharge channel, the electric field strength should be E = U / L≈40 V / cm, and the induction of an external magnetic field B, pressing the discharge channel, approximately 8 · 10 5 A / m
Емкостной накопитель способен создать в разрядном промежутке длиной 4 см между торцевым и средним электродами импульс тока амплитудой в сотни килоампер длительностью до 5·10-3 с. При этом в разрядном промежутке создается плазма с температурой 20000-25000 К с излучением, близким излучению АЧТ.A capacitive storage device is capable of creating a current pulse with an amplitude of hundreds of kiloamps and a duration of up to 5 · 10 -3 s in the
Токоподводы электромагнита (не показаны) подключены к регулируемому трехфазному сетевому тиристорному выпрямителю (не показан) на 500 А мощностью 250 кВт.The electromagnet current leads (not shown) are connected to an adjustable three-phase network thyristor rectifier (not shown) for 500 A with a power of 250 kW.
При токе обмотки I=(450±50) А индукция магнитного поля в зазоре электромагнита шириной 5.5 см составляет (1.3±0.2)·106 А/м. В зазоре электромагнита устанавлены разрядный узел (фиг.2, 3) дно которого изготовлено из керамики, содержащей СаСО3, стенки облицованы фиброй. Инициирование разряда осуществляется с помощью электрического взрыва полоски алюминиевой фольги 2 шириной 5-7 мм, толщиной 10-20 мкм, замыкающей промежуток между электродами 1 и 3 при подаче на электроды высокого напряжения от емкостного накопителя 5.When the winding current I = (450 ± 50) A, the induction of the magnetic field in the gap of the electromagnet 5.5 cm wide is (1.3 ± 0.2) · 10 6 A / m. In the gap of the electromagnet, a discharge unit is installed (Figs. 2, 3) whose bottom is made of ceramics containing CaCO 3 , the walls are lined with fiber. The discharge is initiated using an electric explosion of a strip of
Для подтверждения возможности формирования световых импульсов с заданной временной формой с помощью универсального плазменного излучателя проведены испытания с профилированным импульсом разрядного тока (см. фиг.4). Емкостной накопитель 5 в экспериментах заряжали до 3 кВ. Амплитуда тока при разряде накопителя через промежуток между электродами 1 и 3 достигала 80 кА, длительность - 3·10-3 с (фиг.4). Яркостная температура плазмы Тя в импульсной фазе работы универсального плазменного излучателя в видимой области спектра достигала 20000 К, энергетическая светимость W=2.5·105 Вт/см2, поверхностная плотность энергии излучения Е=80 Дж/см2 (фиг.5).To confirm the possibility of forming light pulses with a given temporal shape using a universal plasma emitter, tests were conducted with a profiled discharge current pulse (see Fig. 4). Capacitive storage 5 in the experiments was charged up to 3 kV. The amplitude of the current during the discharge of the drive through the gap between the
В квазинепрерывной фазе работы универсального плазменного излучателя ток разряда, создаваемый тиристорным агрегатом 7, имел величину 5 кА, длительность - 0.25 с (фиг.4), Тя=5500 К, W=4·103 Вт/см2, Е=700 Дж/см2 (фиг.6).In the quasi-continuous phase of operation of a universal plasma emitter, the discharge current generated by the thyristor unit 7 had a value of 5 kA, a duration of 0.25 s (Fig. 4), T i = 5500 K, W = 4 · 10 3 W / cm 2 , E = 700 J / cm 2 (Fig.6).
Проведенные испытания универсального плазменного излучателя показали, что разряд является эффективным излучателем, способным работать в импульсном режиме с высокой яркостью, в квазинепрерывном режиме с большой энергией излучения и в комбинированном режиме, воспроизводящем сложную форму светового импульса с высокой пиковой яркостью, большой энергией излучения и значительной площадью излучающей поверхности.Tests of a universal plasma emitter showed that the discharge is an efficient emitter capable of operating in a pulsed mode with high brightness, in a quasi-continuous mode with high radiation energy and in a combined mode that reproduces the complex shape of a light pulse with high peak brightness, high radiation energy, and a large area radiating surface.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143945/07A RU2457638C2 (en) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | Plasma optical radiation source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143945/07A RU2457638C2 (en) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | Plasma optical radiation source |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010143945A RU2010143945A (en) | 2012-05-10 |
| RU2457638C2 true RU2457638C2 (en) | 2012-07-27 |
Family
ID=46311751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010143945/07A RU2457638C2 (en) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | Plasma optical radiation source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2457638C2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3452249A (en) * | 1965-05-21 | 1969-06-24 | Electro Optical Systems Inc | Method and apparatus for containing a plasma produced by opposed electrodes |
| US4739170A (en) * | 1985-05-09 | 1988-04-19 | The Commonwealth Of Australia | Plasma generator |
| RU2114520C1 (en) * | 1996-09-30 | 1998-06-27 | Кубанский государственный технологический университет | Pulse-operated plasma plant |
| RU2170990C1 (en) * | 2000-10-19 | 2001-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория высоких технологий" | Plasma light source |
| RU2193802C2 (en) * | 1999-05-28 | 2002-11-27 | ООО "Высокие технологии" | Optical radiation generating device |
| RU2370002C1 (en) * | 2008-10-20 | 2009-10-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of making plasma radiation source and device to this end |
| CA2750441A1 (en) * | 2009-02-04 | 2010-08-12 | General Fusion, Inc. | Systems and methods for compressing plasma |
-
2010
- 2010-10-26 RU RU2010143945/07A patent/RU2457638C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3452249A (en) * | 1965-05-21 | 1969-06-24 | Electro Optical Systems Inc | Method and apparatus for containing a plasma produced by opposed electrodes |
| US4739170A (en) * | 1985-05-09 | 1988-04-19 | The Commonwealth Of Australia | Plasma generator |
| RU2114520C1 (en) * | 1996-09-30 | 1998-06-27 | Кубанский государственный технологический университет | Pulse-operated plasma plant |
| RU2193802C2 (en) * | 1999-05-28 | 2002-11-27 | ООО "Высокие технологии" | Optical radiation generating device |
| RU2170990C1 (en) * | 2000-10-19 | 2001-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория высоких технологий" | Plasma light source |
| RU2370002C1 (en) * | 2008-10-20 | 2009-10-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of making plasma radiation source and device to this end |
| CA2750441A1 (en) * | 2009-02-04 | 2010-08-12 | General Fusion, Inc. | Systems and methods for compressing plasma |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010143945A (en) | 2012-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7091441B1 (en) | Portable arc-seeded microwave plasma torch | |
| EP2161801A2 (en) | Dual power source pulse generator for a triggering system | |
| US8259771B1 (en) | Initiating laser-sustained plasma | |
| JP5871789B2 (en) | Method and beam generator for generating a constrained plasma beam | |
| RU2370002C1 (en) | Method of making plasma radiation source and device to this end | |
| JP2010050090A (en) | Coaxial magnetized plasma generation device | |
| RU2457638C2 (en) | Plasma optical radiation source | |
| Zhang et al. | Nanosecond-pulse diffuse discharge at atmospheric pressure | |
| Langer et al. | Cold starting of fluorescent lamps–part I: a description of the transient regime | |
| CN102084723B (en) | The low voltage transient of lighting triggered again for the heat of high-intensity discharge lamp starts | |
| RU149862U1 (en) | PLASMA SOURCE OF LIGHT RADIATION | |
| Shao et al. | Nanosecond repetitively pulsed discharge of point–plane gaps in air at atmospheric pressure | |
| Rousskikh et al. | Electric explosion of fine tungsten wires in vacuum | |
| Panicker | Ionization of air by corona discharge | |
| RU147851U1 (en) | PLASMA SOURCE OF LIGHT RADIATION | |
| CN117108402A (en) | A multi-electrode continuous discharge spark discharge generating device | |
| CN117718211A (en) | A composite mechanical wave generating device for surface electric explosion coupling with multiple physical field sources | |
| US9930767B2 (en) | Plasma-containing modular arc generator | |
| RU2397625C2 (en) | Method of effective conversion of electric energy to plasma energy | |
| Bogomaz et al. | Influence of the cathode and anode jets on the properties of a high-current electric arc | |
| RU2343650C2 (en) | Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge | |
| CN113543444B (en) | Microwave-induced metal discharge combustion-supporting method and control system thereof | |
| Panov et al. | Evolution of electrical discharge channel in isopropyl alcohol solution | |
| SU1625257A1 (en) | Pulse source of ions | |
| Krasik et al. | High-current electron sources based on gaseous discharges |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160705 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161027 |