Плазмовий прискорювач

Реферат: Винахід належить до галузі плазмової обробки виробів і може бути застосований як джерело плазми для імітування процесу входження космічного апарата в щільні шари атмосфери. Плазмовий прискорювач містить вакуумну камеру, в яку через торцевий фланець введені патрубки для подачі газу з імпульсними клапанами на кінцях. Також він містить катод, з циліндричною частиною, до кінцевої частини якої прикріплені вигнуті стрижні-ламелі, опуклою стороною звернені до поверхні вакуумної камери, і анод зі стрижнів, що коаксіально охоплюють катод по циліндричній поверхні з утворенням розрядного проміжку в місці розташування опуклих стрижнів-ламелей. Вакуумна камера в області розрядного проміжку охоплена принаймні двома електромагнітними котушками. В катоді виконана циліндрична порожнина для подачі газу в камеру. В кінці камери розміщений імпульсний клапан з отворами для напуску газу в напрямку, перпендикулярному повздовжній осі прискорювача. Всі патрубки для подачі газу мають таку довжину, що їх імпульсні клапани розміщені в площині поперечного перерізу камери на початку розрядного проміжку. Технічним результатом винаходу є отримання більш тривалих високоенергетичних плазмових потоків великої густини. UA 104205 C2 (12) UA 104205 C2 UA 104205 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки отримання високоенергетичних прискорених імпульсних згустків плазми великої густини і може використовуватись для плазмової обробки виробів, а також в космічній техніці як джерело плазми для імітування процесу входження космічного апарата в щільні шари атмосфери. Відомий плазмовий прискорювач [1], містить вакуумну камеру з анодом і катодом, в яку через торцевий фланець в порожнину циліндричного катода в районі торцевого фланця введений осьової патрубок для подачі газу з імпульсним клапаном на кінці. Анод виконаний зі стрижнів, які коаксіально охоплюють катод по циліндричній поверхні. Прискорювач працює таким чином, вакуумна камера відкачується до необхідного тиску. Потім на газовий клапан, який напускає робочий газ у вакуумну камеру, подається напруга. Клапан спрацьовує і в міжелектродний простір потрапляє газ. На катод і анод, подається висока напруга. В результаті електричного розряду у міжелектродному зазорі утворюється плазма, яка прискорюється. Недоліком даного прискорювача є те, що робочий газ напускається від торцевого фланця і тільки в повздовжньому напрямку. При розширенні газу до розрядного проміжку значно зменшується його густина. Це не дозволяє отримувати тривалі плазмові потоки високої густини. Найбільш близьким до запропонованого технічного рішення є плазмовий прискорювач [2]. Він містить вакуумну камеру, в яку через торцевий фланець введені патрубки для подачі газу з імпульсними клапанами на кінцях. Катод, з циліндричною частиною, до кінцевої частини якої прикріплені вигнуті стрижні - ламелі, опуклою стороною звернені до поверхні вакуумної камери. Анод зі стрижнів що коаксіально охоплюють катод по циліндричній поверхні з утворенням розрядного проміжку в місці розташування опуклих стрижнів - ламелей. Даний прискорювач працює таким чином. Вакуумна камера відкачується до необхідного тиску. Потім на газові клапани подається напруга. Клапани спрацьовують і напускається робочий газ у вакуумну камеру. На катод і анод, подається висока напруга. У міжелектродному зазорі виникає електричний розряд, в результаті чого утворюється та прискорюється плазма. Недоліком даного прискорювача є те, що система газового живлення розташована біля торцевого фланця. Така подача робочого газу не дозволяє забезпечити заповнення вакуумної камери по всій її довжині протягом всього імпульсу достатньою кількістю носіїв струму. Також не забезпечується необхідний розподіл густини газу на вході в розрядний проміжок. Це не дозволяє отримувати тривалі плазмові потоки великої густини. Поставлена задача вирішується тим що, винахід є удосконалення конструкції плазмового прискорювача. Удосконалення повинно забезпечити отримання більш тривалих високоенергетичних плазмових потоків великої густини. Воно повинне досягатися шляхом конструктивних змін системи подачі робочого газу і впливом на плазму магнітного поля. Поставлена задача вирішується тим, що винахід, так само як і відомий прискорювач, містить вакуумну камеру, в яку через торцевий фланець введені патрубки для подачі газу з імпульсними клапанами на кінцях. Також він включає катод, з циліндричною частиною, до кінцевої частини якої прикріплені вигнуті стрижні-ламелі, опуклою стороною звернені до поверхні вакуумної камери, і анод зі стрижнів, що коаксіально охоплюють катод по циліндричній поверхні, з утворенням розрядного проміжку в місці розташування опуклих стрижнів-ламелей. На відміну від відомого у запропонованому прискорювачі вакуумна камера в області розрядного проміжку охоплена принаймні двома електромагнітними котушками. В катоді виповнена циліндрична порожнина для подачі газу в камеру. В кінці камери розміщений імпульсний клапан з отворами для напуску газу в напрямку, перпендикулярному повздовжній осі прискорювача. Всі патрубки для подачі газу мають таку довжину, що їх імпульсні клапани розміщені в площині поперечного перерізу камери на початку розрядного проміжку. У разі використання двох електромагнітних котушок радіальний розмір кожної з них дорівнює відстані між ними. Зовнішня поверхня катода від торцевого фланця до початку розрядного проміжку має ізолюючий шар з керамічного матеріалу. Кінці стрижнів анода в камері скріплені колекторним кільцем. Для фокусування плазмового потоку і збільшення його густини процес утворення і прискорення плазми протікає в магнітному полі, яке утворюється принаймні двома електромагнітними котушками, коаксіально охоплюючими зовнішню поверхню прискорювача. Зовнішнє магнітне поле призводить до обертання плазми, що в свою чергу сприяє встановленню регулярної течії плазми, та покращує її енергетичні характеристики. Вищезгаданий ізолюючий шар з керамічного матеріалу на поверхні катода виключає паразитні пробої між електродами. Це покращує симетрію і збільшує енергетичне насичення плазмового потоку. 1 UA 104205 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У прискорювачі робочий газ через газові клапани надходить безпосередньо в розрядну зону прискорювального каналу паралельно осі прискорювача з надзвуковою швидкістю (1,3…1,4 Мах). Осьовий газовий клапан подає газ в зону прискорювального каналу в радіальних напрямках від осі прискорювача. Така комбінація поздовжньої і радіальної подачі робочого газу з надзвуковою швидкістю безпосередньо в розрядний проміжок дозволяє забезпечити заповнення прискорювального каналу носіями розряду по всій його довжині і підживлювати розряд протягом усього імпульсу. Також забезпечується необхідний розподіл густини газу на вході в розрядний проміжок. Завдяки вищенаведеним відмінним ознакам патентованого прискорювача досягається необхідний розподіл газу, який повинен змінюватися зворотно-пропорційно квадрату відстані від осі системи, в розрядному проміжку. При виключно торцевій подачі газу такий розподіл тиску забезпечити не вдається. Крім того, виконання анода у вигляді окремих стрижнів пред'являє підвищені вимоги до його механічної жорсткості. У момент імпульсу по кожному стрижню протікає розрядний струм в десятки кілоампер. Взаємодія електромагнітних полів розташованих поруч стрижнів призводить до виникнення значних радіальних сил, що призводить до деформації стрижнів і спотворення геометрії прискорювача. Тому для підвищення жорсткості стрижні анода закріплені колекторним кільцем у районі торця катода, що зводить до мінімуму можливість деформації стрижнів в процесі імпульсу і підвищує надійність роботи прискорювача. Суть винаходу пояснюється схемою плазмового прискорювача, зображеної на кресленні. Розглянемо приклад, який пояснює можливість здійснення патентованого пристрою. Плазмовий прискорювач (див. схему), містить вакуумну камеру 1, яка охоплена в області розрядного проміжку принаймні двома електромагнітними котушками 2. У вакуумну камеру через торцевий фланець 3, виконаний з ізолюючого матеріалу, введені патрубки 4 для подачі газу з імпульсними клапанами 5 на кінцях. Зовнішня циліндрична частина катода 6, ізольована шаром кераміки 7. До циліндричної частини катода 6 в її кінцевій частині прикріплені вигнуті стрижні-ламелі 8, опуклою стороною звернені до поверхні вакуумної камери 1. Циліндрична частина катода 6 має осьову порожнину, в кінці якої розташовано осьовий імпульсний клапан 9, з отворами для напуску газу в напрямку, перпендикулярному поздовжній осі прискорювача. Імпульсні газові клапани 5 і 9 розміщені в площині поперечного перерізу камери на початку розрядного проміжку. Анод 10 виконаний зі стрижнів, які коаксіально охоплюють катод по циліндричної поверхні. Кінці стрижнів анода в камері скріплені колекторним кільцем 11. Для приведення прискорювача в робочий стан вакуумна камера 1 відкачується до тиску . -5 5 10 мм. рт. ст. Потім на газові клапани 5 і 9 подається напруга. Вони напускають робочий газ безпосередньо в розрядну зону прискорювального каналу з надзвуковою швидкістю. Газ надходить через патрубки 4, які введені через торцевий фланець 3 і через порожнину катода. Осьовий газовий клапан 9 подає робочий газ в зону прискорювального каналу в радіальному напрямку від осі прискорювача. Надзвукові потоки газу сприяють стабілізації зони іонізації в прискорювальному каналі, тим самим запобігаючи її зміщенню в область розділу електродів ізолятора. Для симметризації розряду, трансзвукової течії плазми і подолання або послаблення явища кризи струму в плазмовому прискорювачі процес утворення і прискорення плазми здійснюється в поздовжньому магнітному полі, створюваному електромагнітними котушками 2. Включається зовнішнє магнітне поле напруженістю 0,8 кЕ і на півперіодом ~ 500 мкс. Коли напруженість зовнішнього магнітного поля досягає максимуму (приблизно через 150 мкс), і тиск газу в міжелектродному зазорі досягає максимального значення, на катод 6 зі стрижнями ламелями 8 і циліндричною частиною, яка ізольована шаром кераміки 7, і анод 10, скріплений колекторним кільцем 11, подається висока напруга. У міжелектродному зазорі утворюється плазма, електричний ланцюг замикається і виникає об'ємний електричний струм. При взаємодії радіальної компоненти цього струму jr з азимутним власним магнітним полем з індукцією Вφ -1 з'являється поздовжня компонента амперової сили Fz, яка прискорює плазму. Fz=c jrBφ, де с швидкість світла. Таким чином, запропонований прискорювач забезпечує отримання більш тривалих високоенергетичних плазмових потоків більшої густини. Прискорювач даного типу може використовуватися для плазмової обробки виробів. Також він може застосовуватися у космічній техніці в імітаційних експериментах, що моделюють вхід космічного апарата в щільні шари 3 14 18 атмосфери. Кількість часток на см в мезосфері і стратосфері складає від 10 до 10 . У цих рамках буде і густина плазми, що генерується запропонованим прискорювачем. Джерела інформації: 1. А.К. Виноградова и др., "Измерение плотности плазмы в магнитоплазменном компрессоре", Журнал технической физики, т. XLIV, Л., "Наука", 1974, с. 668. 2 UA 104205 C2 2. В.И. Терешин и др., "Исследование мощных квазистационарных коаксиальных плазменных ускорителей со стержневыми электродами", Ионные инжекторы и плазменные ускорители. Энергоатомиздат. 1990 г., с. 106, (прототип). 5 10 15 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Плазмовий прискорювач, що містить вакуумну камеру, в яку через торцевий фланець введені патрубки для подачі газу з імпульсними клапанами на кінцях, катод, з циліндричною частиною, до якої прикріплені вигнуті стрижні-ламелі, опуклою стороною звернені до поверхні вакуумної камери, анод зі стрижнів, що коаксіально охоплюють катод по циліндричній поверхні з утворенням розрядного проміжку в місці розташування опуклих стрижнів-ламелей, який відрізняється тим, що вакуумна камера в області розрядного проміжку охоплена принаймні двома електромагнітними котушками, в циліндричній частині катода вздовж його осі виконана циліндрична порожнина для подачі газу в камеру, в кінці якої розміщений імпульсний клапан з отворами для напуску газу в напрямку, перпендикулярному повздовжній осі прискорювача, за умови, що всі патрубки для подачі газу мають таку довжину, що їх імпульсні клапани розміщені в площині поперечного перерізу камери на початку розрядного проміжку. 2. Прискорювач за п. 1, який відрізняється тим, що при використанні двох електромагнітних котушок радіальний розмір кожної з них дорівнює відстані між ними. 3. Прискорювач за п. 1, який відрізняється тим, що зовнішня поверхня циліндричної частини катода від торцевого фланця до початку розрядного проміжку має ізолюючий шар з керамічного матеріалу. 4. Прискорювач за п. 2 або за п. 3, який відрізняється тим, що кінці стрижнів анода в камері скріплені колекторним кільцем. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3