RU2123243C1 - Plasma current breaker - Google Patents

Abstract

FIELD: acceleration equipment, in particular, physical investigations equipment for generation of high-power electron beams, and high-voltage pulse generators. SUBSTANCE: device has potential electrodes, which form vacuum inter-electrode gap and are connected to power supply and load, and at least one plasma injector. Additional electrode is located outside of inter-electrode gap, is insulated from adjacent electrode and is connected to at least one another electrode by conductor. Conductor is located between plasma injector and load. Additional electrode and electrode which is adjacent to it are connected to power supply. EFFECT: plasma drift outward diode. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высокоэнергетичных электронных пучков, а также в генераторах импульсов высокого напряжения. The invention relates to accelerator technology and can be used in electrophysical installations to produce high-energy electron beams, as well as in high voltage pulse generators.

Известно, что индуктивные накопители энергии (ИНЭ) являются одним из наиболее рациональных типов накопителей энергии благодаря простоте конструкции, хорошим массогабаритным показателям и более высокой плотности запасаемой энергии по сравнению с емкостными накопителями. Одним из самых важных узлов ИНЭ является коммутатор, работающий как прерыватель тока. It is known that inductive energy storage devices (INE) are one of the most rational types of energy storage devices due to the simplicity of their design, good overall dimensions and higher density of stored energy compared to capacitive storage devices. One of the most important INE nodes is a switch that acts as a current chopper.

Известен прерыватель тока в генераторе на основе индуктивного накопителя энергии, представляющий собой систему взрывающихся проволочек [1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. -М.: Сов. радио, 1974]. Основным недостатком такого прерывателя является большая длительность процесса переключения (порядка нескольких микросекунд), поэтому не удается получать достаточно большое напряжение в высоковольтном импульсе. Known current chopper in a generator based on inductive energy storage, which is a system of exploding wires [1. Month G.A. Generation of powerful nanosecond pulses. -M .: Sov. radio, 1974]. The main disadvantage of such a chopper is the long duration of the switching process (of the order of several microseconds), therefore it is not possible to obtain a sufficiently large voltage in a high voltage pulse.

Наиболее близким по технической сущности является плазменный прерыватель тока (ППТ), содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор [2. Месяц Г.А., Ковальчук Б. М. Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной изоляцией и плазменным прерывателем. Докл. АН СССР, 1985, т. 284, N 4, с. 857]. Переключение тока из ИНЭ в нагрузку происходит за счет разрыва плазменных токовых каналов в ППТ вследствие резкого уменьшения проводимости плазмы при достижении в системе критического тока. Величина критического тока зависит от плотности плазмы, скорости каналов плазмы, сечения токового канала, массы ионов. The closest in technical essence is a plasma current chopper (PPT), containing potential electrodes forming a vacuum interelectrode gap connected to a power source and connected to the load, and at least one plasma injector [2. Mesyats G.A., Kovalchuk B.M. Powerful nanosecond pulse generator with vacuum insulation and a plasma chopper. Doc. USSR Academy of Sciences, 1985, v. 284, N 4, p. 857]. The current is switched from the INE to the load due to the rupture of the plasma current channels in the PMT due to a sharp decrease in the plasma conductivity when the critical current is reached in the system. The critical current value depends on the plasma density, the velocity of the plasma channels, the cross section of the current channel, and the mass of ions.

При работе известного ППТ плазма, инжектированная в межэлектродный зазор ИНЭ, замыкает цепь накопления тока. При этом плазма сносится в сторону нагрузки, выполненной в виде вакуумного диода. Попадая в диод, плазма закорачивает диодный промежуток, что приводит к уменьшению напряжения высоковольтного импульса и уменьшению энергии ускорения электронного пучка. During operation of the known PPT, the plasma injected into the interelectrode gap of the INE closes the current storage circuit. In this case, the plasma is carried away in the direction of the load, made in the form of a vacuum diode. Once in the diode, the plasma shorts the diode gap, which leads to a decrease in the voltage of the high-voltage pulse and a decrease in the acceleration energy of the electron beam.

Техническая задача заключается в том, что необходимо повысить напряжение высоковольтного импульса и энергию ускорения электронного пучка путем исключения выноса плазмы в диодный промежуток (нагрузку). The technical problem is that it is necessary to increase the voltage of the high-voltage pulse and the acceleration energy of the electron beam by eliminating the transfer of plasma into the diode gap (load).

Технический результат заключается в обеспечении сноса плазмы в сторону, обратную от диода (нагрузки). The technical result is to ensure the demolition of the plasma in the direction opposite to the diode (load).

Данный технический результат достигается тем, что ППТ, содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор, отличается тем, что вне межэлектродного промежутка расположен дополнительный электрод, изолированный от ближайшего к нему электрода и соединенный по крайней мере одним проводником с другим электродом, причем этот проводник размещается между плазменным инжектором и нагрузкой, при этом дополнительный электрод и ближайший к нему электрод подключены к источнику питания. This technical result is achieved in that the PMT containing potential electrodes forming a vacuum interelectrode gap, connected to a power source and connected to the load, and at least one plasma injector, is characterized in that an additional electrode is located outside the interelectrode gap, isolated from the nearest electrode and connected by at least one conductor to another electrode, and this conductor is placed between the plasma injector and the load, with the additional the first electrode and the electrode closest to it are connected to a power source.

То есть известная конструкция ППТ включает два потенциальных электрода, образующих межэлектродный промежуток и связанных с источником питания и нагрузкой. Кроме того, составным элементом этой конструкции является по меньшей мере один плазменный инжектор. That is, the known design of the PMT includes two potential electrodes forming an interelectrode gap and connected with a power source and a load. In addition, at least one plasma injector is a component of this design.

Введение дополнительного электрода, определенным образом связанного с двумя потенциальными электродами этой конструкции, а именно: изолированного от ближайшего к нему из двух потенциальных электродов и соединенного по крайней мере одним проводником с другим электродом; особенность расположения этого проводника в конструкции, состоящая в его размещении между плазменным инжектором и нагрузкой; вынесение этого дополнительного электрода вовне промежутка; подключение дополнительного электрода и ближайшего к нему электрода к источнику питания, позволяют сформировать контур, замыкаемый через дополнительный электрод, проводник, размещенный между плазменным инжектором и нагрузкой, плазму и потенциальные электроды. The introduction of an additional electrode, in a certain way connected with two potential electrodes of this design, namely: isolated from the nearest of two potential electrodes and connected by at least one conductor to another electrode; the peculiarity of the location of this conductor in the design, consisting in its placement between the plasma injector and the load; the removal of this additional electrode outside the gap; the connection of the additional electrode and the electrode closest to it to the power source, allows you to form a circuit that closes through the additional electrode, a conductor located between the plasma injector and the load, the plasma and potential electrodes.

Известно, что на проводники в магнитном поле действует сила Ампера [3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1979, с. 425-426], причем эта сила действует таким образом, что площадь замкнутого контура с током стремится увеличиться, поэтому в известном ППТ [2] плазма сносится в сторону диода (нагрузки), а в предполагаемом ППТ, благодаря сформированному контуру, плазма сносится в сторону, обратную от диодного промежутка. Количество проводников, размещенных между плазменным инжектором и нагрузкой, выбирается в зависимости от геометрии ППТ, его размеров и мощности. It is known that Ampere force acts on conductors in a magnetic field [3. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics. -M .: Nauka, 1979, p. 425-426], and this force acts in such a way that the area of the closed loop with the current tends to increase, therefore, in the known PPT [2] the plasma is drifted towards the diode (load), and in the proposed PPT, due to the formed circuit, the plasma is drifted to the side inverse from the diode gap. The number of conductors placed between the plasma injector and the load is selected depending on the geometry of the PMT, its size and power.

На фиг. 1 показан пример возможного выполнения ППТ в коаксиальной геометрии (1 - первичный источник энергии, 2 - внутренний цилиндрический потенциальный электрод, 3 - дополнительный электрод, 4 - внешний цилиндрический потенциальный электрод, 5 - плазменный инжектор, 6 - радиальные проводники, 7 - входной изолятор, 8 - нагрузка). Возможно также выполнение ППТ с плоскими электродами. In FIG. 1 shows an example of the possible implementation of the PMT in coaxial geometry (1 - primary energy source, 2 - internal cylindrical potential electrode, 3 - additional electrode, 4 - external cylindrical potential electrode, 5 - plasma injector, 6 - radial conductors, 7 - input insulator, 8 - load). It is also possible to perform PPT with flat electrodes.

Плазменный прерыватель тока содержит первичный источник энергии 1, к выходам которого подключен цилиндрический потенциальный электрод 2 и коаксиальный с ним дополнительный электрод 3, соединенный с внешним коаксиальным цилиндрическим потенциальным электродом 4 несколькими радиальными проводниками 6, размещенными между плазменными инжекторами 5 и нагрузкой 8. Вакуумный объем ИНЭ, образованного потенциальными электродами 2 и 4 и дополнительным электродом 3, отделен от первичного источника энергии входным изолятором 7. Между электродами 2 и 4 подключена нагрузка 8. The plasma current chopper contains a primary energy source 1, the outputs of which are connected to a cylindrical potential electrode 2 and an additional electrode 3 coaxial with it, connected to an external coaxial cylindrical potential electrode 4 by several radial conductors 6 located between the plasma injectors 5 and the load 8. Vacuum volume formed by potential electrodes 2 and 4 and an additional electrode 3 is separated from the primary energy source by the input insulator 7. Between the electrodes 2 and 4 connected load 8.

ППТ работает следующим образом. После образования плазмы в плазменном инжекторе 5 включается первичный источник энергии 1. ИНЭ запитывается током, протекающим по потенциальному электроду 2, плазме плазменного инжектора 5, части потенциального электрода 4, радиальным проводником 6, дополнительному электроду 3. При этом в области между входным изолятором 7 и плазмой магнитные поля, возникающие при прохождении тока по электроду 2 и дополнительному электроду 3, взаимно компенсируются. В то же время в области между плазмой и радиальными проводниками 6 магнитные поля, возникающие при прохождении тока по части потенциального электрода 4, ограниченной плазменным инжектором 5 и радиальным проводникам 6, суммируются. Это приводит к сносу плазмы в сторону входного изолятора 7, то есть в сторону, обратную от нагрузки (диода) 8. После разрыва плазмы плазменного размыкателя 5 высоковольтный электрический импульс прикладывается к нагрузке 8, который может использоваться для ускорения электронного пучка. PPT works as follows. After the formation of the plasma in the plasma injector 5, the primary energy source 1 is turned on. The INE is powered by a current flowing through the potential electrode 2, the plasma of the plasma injector 5, part of the potential electrode 4, the radial conductor 6, and the additional electrode 3. Moreover, in the region between the input insulator 7 and plasma magnetic fields that occur during the passage of current through the electrode 2 and the additional electrode 3 are mutually compensated. At the same time, in the region between the plasma and the radial conductors 6, the magnetic fields arising from the passage of current through the part of the potential electrode 4 bounded by the plasma injector 5 and the radial conductors 6 are summed. This leads to the demolition of the plasma in the direction of the input insulator 7, that is, in the direction opposite to the load (diode) 8. After the plasma breaker of the plasma breaker 5, a high-voltage electric pulse is applied to the load 8, which can be used to accelerate the electron beam.

Таким образом, вынос плазмы в диодный промежуток, приводящий в известном ППТ к уменьшению энергии ускорения электронного пучка или уменьшению высоковольтного импульса, в данном ППТ исключается. По численным оценкам использование данного ППТ приведет к увеличению выходного напряжения в 1,5 - 1,8 раза по сравнению с прототипом. Thus, the transfer of plasma into the diode gap, leading in the known PPT to a decrease in the acceleration energy of the electron beam or a decrease in the high voltage pulse, is excluded in this PPT. According to numerical estimates, the use of this PPT will lead to an increase in the output voltage by 1.5 - 1.8 times in comparison with the prototype.

Claims (1)

Плазменный прерыватель тока, содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор, отличающийся тем, что вне межэлектродного промежутка расположен дополнительный электрод, изолированный от ближайшего к нему электрода и соединенный по крайней мере одним проводником с другим электродом, причем этот проводник размещен между плазменным инжектором и нагрузкой, при этом дополнительный электрод и ближайший к нему электрод подключены к источнику питания. A plasma current chopper containing potential electrodes forming a vacuum interelectrode gap, connected to a power source and connected to the load, and at least one plasma injector, characterized in that an additional electrode is located outside the interelectrode gap, isolated from the electrode closest to it and connected by at least one conductor with another electrode, and this conductor is placed between the plasma injector and the load, while the additional electrode and the closest to he electrode connected to a power source.