Исследование турбулентных явлений в плазме плазменного прерывателя тока

• Автор: Нитишинский, Михаил Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 92 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ НА УСТАНОВКАХ С ПЛАЗМЕННЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА (литературный обзор)
1.1 Характеристики некоторых генераторов с ППТ
1.2 Магнито-управляемый плазменный прерыватель тока (МСРОБ)
1.3 Методы диагностики плазменных размыкателей.
Литература к Г лаве 1.
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МЕХАНИЗМУ РАБОТЫ ППТ » ‘
2.1 МГД-эффекты
2.2 ЭМГ-эффекты
2.3 Стадия эрозии.
Литература к Главе 2.
ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ ТОКА НА УСТАНОВКЕ “ТАЙНА”
3.1 Экспериментальная установка
3.2 Экспериментальное исследование электрических полей по штарковскому уширению спектральной линии водорода На
3.3 Сравнение результатов с расчетным профилем спектральной линии
3.4 Исследование рассеяния зондирующего лазерного излучения на турбулентных флуктуациях плазмы ППТ
3.4.1 Режим работы установки
3.4.2 Оптическая схема диагностики.
3.4.5 Результаты исследований на установке «Тайна».
Литература к Главе 3.
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1 Эффект аномального сопротивления
4.2 Оценки возможности рассеяния зондирующего лазерного излучения на турбулентных шумах
Литература к Главе 4.

ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ППТ И
ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
5.1 Роль ускорительной техники в промышленных технологиях
5.2 Параметры ускорителя на основе ППТ
5.3 Существующие и проектируемые частотные генераторы на 81 основе ППТ
5.4 Новые конструктивные и схемные решения частотных ППТ
5.5 Резюме
Литература к Г лаве
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Введение
ВВЕДЕНИЕ
Плазменный прерыватель тока (ППТ) (в англоязычной литературе прерыватель носит название «Plasma Opening Switch (POS)» ) представляет собой плазменную перемычку, по которой пропускается ток и импеданс которой зависит от времени. Плазма ППТ заполняет часть межэлектродного зазора вакуумной линии. После подключения к линии генератора в ней нарастает ток. Импеданс ППТ на первой стадии, именуемой стадией проводимости, мал, и энергия генератора преобразуется в магнитную энергию линии, играющую роль индуктивного накопителя. Затем импеданс ППТ резко возрастает, и ток линии переключается в нагрузку (например, электронный диод), включенную параллельно ППТ. Этот процесс носит название «размыкания».
Для «микросекундного» ППТ стадия проводимости длится 0.4 - 2.0 мкс, а размыкание происходит за 50-150 не. Сопротивление ППТ на стадии проводимости - 0.1-0.5 Ом; при размыкании сопротивление возрастает на 1-2 порядка и достигает значений от нескольких единиц до десятков Ом. Величина размыкаемых токов - до 3 МА, напряжение на ППТ - до 3.5 MB. Наиболее популярна коаксиальная геометрия ППТ и вакуумной линии, при этом плазменная перемычка имеет форму шайбы с характерным размером 10 см. Плазма ППТ создается специальными источниками плазмы, и по своим параметрам (концентрации, однородности, степени ионизации, качественному составу) сильно отличается на различных установках. Для ряда микросекундных ППТ концентрация электронов была измерена экспериментально и составила 1014 -1015 см'3.
Моментом размыкания можно управлять, варьируя начальные параметры плазмы ППТ. Был также предложен магнито-управляемый плазменный прерыватель тока, в котором резкое изменение магнитного поля в ППТ (за счет дополнительных катушек) инициирует размыкание, но практическая реализация этой технологии испытывает многочисленные трудности.
Как электротехническое устройство ППТ впервые применялся для подавления предымпульса сильноточного ускорителя с водяной формирующей линией в качестве источника питания диода [1]. Предымпульс возникал при зарядке водяной линии от генератора импульсов напряжения (ГИНа) - генератора Маркса с начальной длительностью импульса ~100 не. В 1985 году Г.А.Месяцем с сотрудниками была продемонстрирована возможность применения ППТ для обострения мощности микросекундного импульса [2]. Эта работа открыла перспективу существенного упрощения схем мощных импульсных генераторов за счет замены дорогостоящих и громоздких водяных линий малогабаритными и относительно дешевыми плазменными прерывателями. Именно этим объясняется большой интерес к изучению физики и техники ППТ. В настоящее время генераторы с ППТ применяются для питания плазменных источников излучения и электронных диодов.
На сегодняшний день создан ряд моделей работы плазменного прерывателя, каждая из которых вполне корректно описывает механизм работы ППТ для того или иного диапазона параметров либо на разных временных стадиях. Параметры ППТ сильно отличаются на различных установках, и даже для одной установки параметры плазмы изменяются на порядок за время протекания тока через прерыватель. Поэтому имеет смысл рассматривать механизм работы ППТ, привлекая несколько теоретических моделей

Глава 2.
Теоретические подходы к механизму работы ППТ
2 2 тс 2 Мс
—— « па «
е Ze2
плазму, наблюдавшийся экспериментально. Для ряда экспериментов достаточно ограничиться рассмотрением ЭМГ-стадии, чтобы объяснить возрастание сопротивления размыкателя.
3) По мере дальнейшего понижения концентрации размыкатель переходит 2 тс2
в вакуумный режим: па « ——. Здесь размыкание определяется эрозийной

моделью. Под эрозией понимается уход ионов из плазмы, в результате образуется и растет зазор - область с концентрацией ионов, много меньшей начальной. Модель объясняет возрастание сопротивления ППТ до десятков Ом, а также большую долю ионной составляющей тока. Эрозийный режим работы плазменного размыкателя универсален лишь в том смысле, что он является конечной стадией работы размыкателя. В чистом виде он может реализоваться для наносекундных ППТ, стартующих с никой концентрации плазмы.
Ниже три режима работы размыкателя будут рассмотрены подробно. На Рис.2.1 показаны значения концентраций, характерные для каждого из режимов. Таким образом, размыкатель стартует в режиме, определяемом начальными параметрами, и далее эволюционирует в сторону уменьшения концентрации.
Отметим, что мы здесь не рассматриваем влияние нагрузки на работу размыкателя. Вместе с тем оно существенно: как известно из экспериментов, переброс тока в нагрузку может сопровождаться перезамыканием в размыкателе.
Влияние нейтральных атомов на работу ППТ также еще не получило должного теоретического рассмотрения.
2.1 МГД-эффекты
2 Мс2
Как было сказано, при па » — механизм работы размыкателя

описывается в приближении магнитной гидродинамики (МГД). Одномерная модель «снежного плуга» («snowplow») для ППТ рассматривается в работах [5],[6] для “стандартной” (коаксиал с внешним анодом) конфигурации размыкателя в следующих предположениях:
1) В плазме размыкателя имеется токонесущая область, или канал, ширина которой много меньше размера плазмы в аксиальном направлении;
2) Газокинетическое давление плазмы мало;
3) Ток протекает преимущественно в радиальном направлении.
Под действием магнитного поля тока, протекающего по внешней границе плазмы, последняя будет смещаться в аксиальном направлении в сторону нагрузки (Рис.2.2), что описывается уравнением :
d/dt (M*dz/dt) = В2 /8тс, (2.1)
где М* - масса плазмы, приходящаяся на единицу площади коаксиала, В -магнитное поле на границе плазмы, обращенной к генератору. Введем радиусы