Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики. Технический результат - увеличение эффективности использования титанового ствола ускорителя как расходного материала при электроэрозионной наработки титановой плазмы с поверхности ускорительного канала в процессе ускорения в нем сильноточного (порядка 10⁵ А) дугового разряда типа Z-пинч для получения ультрадисперсных порошкообразных материалов на основе титана. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель с титановыми электродами выполнен в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена титановая плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный титановый электрод, который присоединен к одной клемме цепи электропитания ускорителя. Цепь электропитания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина ускорительного канала титанового ствола равна длине соленоида, а на торце ствола установлена цилиндрическая вставка из стали Ст.3, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики, а именно к экспериментальной физике и ускорительной технике, и может быть использовано для ускорения плазмы и макротел до гиперскоростей, а также для получения ультрадисперсных порошков титана и его соединений: оксидов, нитридов и др. путем распыления материала гиперскоростной плазменной струи в свободном пространстве.

Известен коаксиальный ускоритель (патент РФ №2150652, опубл. 10.06.2000 г., МПК7 F41B 6/00), который состоит из коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершины центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки.

Недостатком данного устройства является неравномерность электроэрозионного износа по длине ускорительного канала, обусловленная повышением эрозии на начальном участке ствола длиной 40-50 мм, что при многократном использовании ствола может привести к обгоранию начального участка ствола и невозможности его дальнейшего использования.

Известен коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, выбранный в качестве прототипа (патент РФ на полезную модель РФ №61856, МПК F41B 6/00, опуб. 10.03.2007 г., бюл. №7, приор. 12.05.2006 г.), выполненный в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершины центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной.

Недостатком этого устройства является низкая эффективность использования токопроводящего ствола ускорителя как расходного материала при электроэрозионной наработке рабочего материала с поверхности ускорительного канала в процессе ускорения в нем сильноточного дугового разряда (порядка 10⁵ А) типа Z-пинч для получения ультрадисперсных порошкообразных материалов на основе титана.

Задачей изобретения является создание коаксиального магнитоплазменного ускорителя, позволяющего эффективно использовать расходный материал - ствол, у которого электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала титанового ствола по его длине близок к постоянному.

Поставленная задача достигается за счет того, что коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, также как в прототипе, выполнен в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего титанового ствола, внутри которого размещена плавкая титановая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и титановый центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом титанового ствола. Вершина центрального электрода, начало титанового ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси титанового ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной.

Согласно предложенному решению длина ускорительного канала ℓ_ук титанового ствола равна длине соленоида ℓ_c, а на торце ствола установлена цилиндрическая вставка из стали Ст.3, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм.

Выравнивание эрозионного износа достигается за счет исключения участка титанового ствола с малой эрозией, а также установкой цилиндрической вставки из стали Ст.3 на срез ствола, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм. В предложенном устройстве исключен участок ствола с малой эрозией, а цилиндрическая вставка создает ступенчатое изменение толщины стенки ствола, создает "магнитную пробку" движению плазмы сильноточного дугового разряда, выравнивает эрозионный износ ствола и тем самым позволяет эффективно использовать расходный материал - ствол ускорителя.

На фиг.1 изображен коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, на фиг.2 зависимости удельного дифференциального электроэрозионного износа Δm ускорительного канала по его длине.

В таблице 1 представлены результаты испытаний коаксиального магнитоплазменного ускорителя.

Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (фиг.1) состоит из цилиндрического электропроводящего титанового ствола 1, центрального титанового электрода 2, соединяющей их плавкой титановой перемычки 3, состоящей из металлических титановых проволочек, расходящихся от центрального электрода 2 и огибающих торцевую часть изолятора 4 центрального электрода 2. Корпус 5 узла центрального электрода 2, выполненный из магнитного материала, конструкционной стали, сопряжен со стволом 1, укрепляя узел центрального электрода 2 и перекрывая зону размещения плавкой перемычки 3. Длина части перекрывающей зону размещения титановой плавкой перемычки 3 составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид 6 выполнен за одно целое с фланцем 7 и цилиндрической частью 8, в котором размещен корпус 5 узла центрального электрода 2 и укреплен резьбовой заглушкой 9. Соленоид 6 укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 10 и стянут мощными токопроводящими шпильками 11 между фланцем 7 и стеклопластиковым упорным кольцом 12. Токопроводящие шпильки 11 электрически соединены токопроводящим кольцом 13, а к токопроводящим шпилькам 11 присоединен шинопровод 14 внешней схемы электропитания. Второй шинопровод 15 схемы электропитания присоединен к центральному электроду 2. К шинопроводу 15 последовательно присоединены ключ 16 и конденсаторная батарея 17, связанная с шинопроводом 14. На торцевую часть титанового ствола 1 установлена цилиндрическая вставка 18 из стали Ст.3, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм.

Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа 16 в контуре электропитания ускорителя начинает протекать ток от конденсаторной батареи 17, по шинопроводу 14, токопроводящему кольцу 13, шпилькам 11, фланцу 7, виткам соленоида 6, корпусу 5, стволу 1, плавкой перемычке 3, центральному электроду 2, шинопроводу 15, через ключ 16 и к конденсатору 17. При достижении нарастающим током I(t) некоторого уровня плавкая перемычка 3 взрывается с образованием сильноточного дугового разряда, начальная форма плазменной структуры которого задается конфигурацией и расположением проволочек плавкой перемычки 3, а также наличием цилиндрического канала в изоляторе 4 центрального электрода 2. Плазма сильноточного разряда сжимается магнитным полем собственного тока, магнитным полем соленоида и приобретает грибообразную форму. В устройстве конусообразная часть корпуса 5 узла центрального электрода 2 перекрывает зону размещения плавкой перемычки 3 и формирования плазменной структуры, экранирует эту зону в течение некоторого времени и исключает вращение грибообразной плазменной перемычки, уменьшая эрозию ствола на его начальном участке. Цилиндрическая вставка 18 создает ступенчатое изменение толщины стенки ствола, создает "магнитную пробку" движению плазмы сильноточного дугового разряда, выравнивает эрозионный износ ствола и тем самым позволяет эффективно использовать расходный материал - ствол ускорителя.

Предложенное устройство испытали в следующих условиях: зарядное напряжение U_зар=4,0 кВ; емкость конденсаторной батареи С=18 мФ; длина соленоида ℓ_c=150 мм; диаметр ускорительного канала ℓ_ук=21 мм; материал ствола, центрального электрода и плавкой перемычки - титан ВТ-1.

Результаты испытаний прототипа (№1) и предложенного (№2-6) ускорителей приведены в табл.1. Как видно из приведенной таблицы и зависимостей на фиг.2 (номера эпюр соответствуют номерам опытов), значение коэффициента заполнения электроэрозионного износа ускорительного канала Сук титанового ствола по его длине при испытаниях предложенного ускорителя увеличилось до 90%, и тем самым обеспечивается выравнивание электроэрозионного износа ускорительного канала титанового ствола.

Таблица 1
Результаты испытаний коаксиального магнитоплазменного ускорителя
Параметры	Ед. изм.	№ опыта
1	2	3	4	5	6
Длина ускорительного канала. ℓук	мм	275	150	150	150	150	150
Длина цилиндрической вставки, ℓцв	мм	-	-	10	15	20	25
Толщина цилиндрической вставки, δцв	мм	-	-	3	3	5	5
Максимальное напряжение, Um	кВ	1,9	2,0	2,0	1,9	1,9	2,0
Максимальный ток, Im	кА	159	141	147	152	156	145
Подведенная энергия, W	кДж	88	83	91	84	87	88
Коэффициент заполнения	%	53	77	83	89	90	88

1. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, выполненный в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего титанового ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка из титановых проволочек, электрически соединяющая начало ствола и титановый центральный электрод, который присоединен к одной из клемме цепи питания ускорителя, цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола, корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки, длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной, причем ствол ускорителя, центральный электрод и плавкая перемычка выполнены из титана, отличающийся тем, что длина титанового ствола равна длине соленоида, а на торце ствола установлена цилиндрическая стальная вставка длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм.

2. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала цилиндрической вставки использована сталь марки Ст.3.