Опис експериментальної установки - Дослідження джерела імпульсного УФ-випромінювання на основі магнітоплазмового компресора

Схема експериментальної установки приведена на мал. 3. Електроди коаксіального МПК розташовувалися на металевих аркушах, що з'єднувалися з відповідними електродами конденсаторів нагромаджувача. Заряд нагромаджувача від могутнього випрямляча дозволяв одержувати напруги в діапазоні 2 - 3,6 кв. Запуск установки вироблявся від допоміжного джерела плазми (фор-плазми), електрод якого розташовувався аксиально усередині центрального електрода МПК. При розряді на нього додаткового конденсатора Сфп = 60 мкф фор-плазма, що утвориться усередині камери К1, під дією газокинетичного тиску викидається через отвори в центральному електроді МПК у виді окремих струменів у розрядний проміжок.

Енергія заряджених часток фор-плазми достатня для перекриття розрядного проміжку, так що в результаті відбувається розряд ємнісного нагромаджувача. З окремих плазмових струменів формувалася однорідна плазмова шайба, з якої потім утворювалася токово-плазмова оболонка, характерна для МПК торцевого типу.

Таблиця 1. Параметри експериментальної установки

Ємність нагромаджувача, мкф

Зарядна напруга,

КВ

Розряд-ний струм, кА

Індуктивність розрядного контуру, нГн

Максимальна потужність випромінювання, МВт

Трив. імпульсу струму, мкс

1400

2 - 3,6

200 - 400

8,75

55

22

Відповідно до принципової схеми МПК, розрядний струм у навантаженні складається зі струму ємнісного нагромаджувача, обмеженого дією індуктивності конденсаторів, і струму розряду ємності монтажу, який можна вважати підключеної паралельно навантаженню. Оскільки, початковий кидок струму в результаті розряду дуже малий і не дає внеску в розігрів фор-плазми на передньому фронті імпульсу. Відзначимо, що штучне збільшення шляхом включення безіндуктивних конденсаторів паралельно навантаженню приведе до укорочення переднього фронту імпульсу і є одним з напрямків підвищення потужності випромінювачів на основі МПК.

схема мпк із напуском фор-плазми

Рис. 3. Схема МПК із напуском фор-плазми.

1 - зовнішній електрод; 2 - центральний електрод; 3 - камера формування фор-плазми; 4 - плазмові струмені; 5 - додатковий електрод; 6 - фторопластові ізолятори; 7 - аркушевий електрод нагромаджувача - анод; 8 - аркушевий електрод нагромаджувача - катод; 9 - розрядник.

Розглянемо результати вимірів характеристик джерела. Як датчик струму використовувався магнітометричний перетворювач (пояс Роговського) з інтегратором. Напруга вимірялася резистивно-ємнісним дільником.

На мал. 4, приведені тимчасові діаграми розрядного струму ємнісного нагромаджувача (а) і напруги на електродах МПК (б). Як видно розряд носить коливальний характер з великим декрементом загасання, значення якого складає. На підставі тимчасових діаграм i(t) і u(t), можна побудувати залежності миттєвої потужності й опору (мал. 4, в, г). При побудові цих графіків була зроблена корекція перекручувань, внесених параметрами резистивно-ємнісного дільника напруги, постійна часу якого ~ 10 мкс порівнянна з тривалістю досліджуваних процесів. Як видно, миттєва потужність залишається позитивної, отже, опір у процесі розряду має активний характер.

Залежності струму розряду від напруги зарядки нагромаджувача і від величини накопиченої енергії, , приведені на мал.5. Тік зростає лінійно з напругою, тобто можна вважати, що інтегральний опір розрядного контуру, рівне 9,4*10-3 Ом, і середня потужність втрат у досліджуваному діапазоні енергій залишаються постійними. Величину струму можна також оцінити, інтегруючи перший напівперіод осцилограми струму мал.4 а, і порівнюючи результат із зарядом, накопиченим у ємності. Звідси одержуємо

, (1)

Де - тривалість першого напівперіоду струму, - функція, що описує тимчасову залежність струму. Значення, розраховані для обраних величин зарядної напруги в припущенні, що перший напівперіод струму має вид, також показані на мал.5.

    А) б) В) г)
типові осцилограми струму розряду

Рис. 4. Типові осцилограми струму розряду (а - 325 кА/справ, 20 мкс/справ), напруги на навантаженні (б - 0,75 кв/справ, 20 мкс/справ), миттєвої потужності (у - 250 МВт/справ, 20 мкс/справ) і опору (м - 2,35 мОм/справ, 20 мкс/справ) при напругах нагромаджувача 2,0 кв і 3,2 кВ [відповідно а) і б) на графіках].

Реєстрація енергії випромінювання в діапазоні 0,3 мкм 10,2 мкм здійснюється за допомогою вимірювача потужності лазерного випромінювання ВМО-2Н. Даний прилад дозволяє вимірювати потужність і енергію оптичного випромінювання за допомогою напівпровідникового чуттєвого елемента, включеного в плече мостової схеми. На передню панель приладу виведені органи в правління режимом роботи приладу (Вимір потужності - Вимір енергії - Калібрування), перемикач діапазонів вимірюваної величини, регулятор установки нуля мостової схеми і стрілочний прилад реєстрації показань.

На мал. 6 приведена залежність щільності потоку енергії випромінювання на відстані 1 м від джерела. Перегин кривої і зниження ступеня росту енергії випромінювання можна пояснити зрушенням максимуму кривої планковского розподілу температури випромінюючого плазмового утворення в ультрафіолетову область, і виходом за межі смуги пропущення приладу при збільшенні енергії, вкладеної в розряд, що приводить до відповідного росту температури плазми. Значення розрядного струму при цьому складає кА.

залежності струму навантаження (розрахунок - суцільна, експеримент - крапки) і накопиченої енергії від зарядної напруги (пунктир)

Рис. 5. Залежності струму навантаження (розрахунок - суцільна, експеримент - крапки) і накопиченої енергії від зарядної напруги (пунктир).

Рис. 6. Залежність струму навантаження (суцільна) і щільності потоку енергії оптичного випромінювання (пунктир) від накопиченої енергії.

При такому струмі магнітний тиск (де - магнітна проникність, - напруженість магнітного поля, створюваного струмом) значно перевищує газокинетичний тиск плазмового стовпа (де - концентрація електронів у розрядному стовпі, - постійна Больцмана, - температура), що приводить до утворення перетяжок і нестійкості і формуванню плазмового фокуса (ПФ). Саме ПФ являє собою джерело могутнього твердого випромінювання. Оцінку температури плазми можна одержати, використовуючи співвідношення Беннета для рівноважного випадку при наявності тільки азимутального магнітного поля, створюваного розрядним струмом

, (2)

Де передбачається рівномірний розподіл щільності заряджених часток по перетині плазмового стовпа, - магнітне поле на границі плазмового стовпа радіусом. Підставляючи 1 див, 5*1018 див-3, одержимо 7,8*104 К.

Енергія випромінювання високотемпературної області для даної температури і щільності складає величину порядку 102 Дж. Оцінка сповненої енергії випромінювання виходить інтегруванням щільності потоку по просторовій діаграмі спрямованості випромінювача і складає 1,744 кдж, таким чином, КПД випромінювача дорівнює 0,17. При вимірах передбачається, що розподіл випромінювання прямо пропорційно площі перетину ПФ в азимутальній і меридіональній площинах у просторі.

Просторовий розподіл температури в області розряду й ефекти, що супроводжують потужнострумовий розряд МПК, можна оцінити на підставі фотографій, виконаних із застосуванням оптичних фільтрів (мал. 7). Як видно, найбільш високотемпературна область розряду локалізована поблизу торця центрального електрода і має веретеноподібну форму, характерну для утворення ПФ. Верхній кордон смуги пропущення фільтра УФС-6 дорівнює 320 нм, тому реалізація ПФ представляється дуже ймовірної. Крім того, розряд супроводжується могутньою ударною хвилею на виході плазмового прискорювача й інтенсивною звуковою хвилею, характерної для могутніх електричних розрядів.

А) б)

Рис. 7. Фотографії потужнострумового розряду МПК, виконані з застосуванням оптичних фільтрів а) ОС-6+СС-6; б) НС-10.

Використання фільтрів з більш низькочастотною характеристикою пропущення показує, що області з меншою температурою мають великі розміри й у червоній області спектра розряд має дифузійний характер. При дослідженні електродів МПК після декількох спрацьовувань відзначаються ефекти інтенсивної ерозії центрального електрода, т. е температура металу, що викидається при ерозії < 5500 K. У деяких випадках розряд мав асиметричну форму в результаті неоднорідного викиду фор-плазми в розрядний проміжок. Найбільше чітко просторовий розподіл температури в області розряду видно на кольорових фотографіях і на мал. 7, а.

Можна виділити чотири характерні області:

    1) високотемпературна область ПФ на торці центрального електрода приблизно рівна його діаметру і имеющая висоті порядку ; 2) внутрішня область у межэлектродной частини, що займає найбільший обсяг і охоплює ПФ; 3) область токово-плазменої оболонки і 4) зовнішня низькотемпературна область розігрітого газу, що складає в основному з нейтральних молекул.

Похожие статьи




Опис експериментальної установки - Дослідження джерела імпульсного УФ-випромінювання на основі магнітоплазмового компресора

Предыдущая | Следующая