Электроразрядный плазменно-вихревой источник оптического излучения

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для создания высокояркостных источников оптического излучения. Техническим результатом является повышение КПД и расширение функциональных возможностей при упрощении конструкции. Указанный технический результат достигается за счет того, что в электроразрядном плазменно-вихревом источнике оптического излучения с зарядным устройством, емкостным накопителем, управляемым разрядником и двумя электродами у капиллярного отверстия в плоском изоляторе, в капиллярном отверстии установлена цилиндрическая токопроводящая трубка из плазмообразующего вещества, второй электрод выполнен в виде кольца, причем оба электрода установлены в электрическом контакте с токопроводящей втулкой, а конструктивные параметры устройства удовлетворяют расчетным соотношениям, связывающим емкость накопителя, напряжение заряда емкостного накопителя, массу и теплофизические параметры плазмообразующего вещества, диаметр и длину капиллярного отверстия в плоском изоляторе и индуктивность разрядного контура. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в экспериментальной физике.

Известен импульсный электроразрядный источник излучения, содержащий емкостный накопитель, плоский изолятор с капиллярным отверстием, выполненный перпендикулярно поверхности изолятора, два электрода, примыкающие к выходным отверстиям капиллярного отверстия, управляемый разрядник и высоковольтный трансформатор поджига, вторичная обмотка которого включена последовательно между емкостным накопителем и электродами (Демидов М.И., Огурцова Н.Н., Подмошенский И.В. // «Оптико-механическая промышленность», 1960, №1. - С.1-4). Дополнительно в цепь включено малоиндуктивное активное согласующее сопротивление величиной 0,1 Ом. В исходном состоянии накопители формирующей линии заряжены до 5 кВ. При подаче импульса поджига на первичную обмотку на вторичной обмотке трансформатора возникает напряжение амплитудой 50 кВ, которое вызывает электрический пробой в капилляре. После этого через капилляр происходит основной разряд накопителей, приводящий к образованию излучающей плазмы.

Недостатком известного источника излучения является низкий коэффициент полезного действия (КПД), который в таких устройствах определяется как отношение интегральной энергии импульса излучения к энергии, запасенной в емкостном накопителе. Кроме того, наличие высоковольтного трансформатора усложняет устройство, а его индуктивность рассеивания вторичной обмотки уменьшает амплитуду тока основного разряда, что также снижает яркость излучателя и КПД.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является электроразрядный источник излучения, выбранный в качестве прототипа [патент RU 2266465], содержащий зарядное устройство, емкостный накопитель, управляемый разрядник, два электрода, размещенные у капиллярного отверстия в плоском изоляторе, один из них выполнен в виде заглушки, при этом емкостный накопитель, электроды и управляемый разрядник электрически соединены между собой так, что образуют разрядный контур.

Известное устройство-прототип обладает теми же недостатками, что и аналог, а именно низким КПД, что обусловлено неизбежными потерями в согласующих линиях и в дополнительных компонентах для обеспечения первичного электрического пробоя капилляра, а также сложностью конструкции, что связано с необходимостью заряда емкостного накопителя до напряжения 40-50 кВ и коммутации этого напряжения. Столь высокое напряжение необходимо для обеспечения электрического пробоя капилляра в плоском изоляторе.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД, упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей электроразрядного источника оптического излучения.

Такой технический результат достигается тем, что в капиллярном отверстии установлена цилиндрическая токопроводящая трубка из плазмообразующего вещества, второй электрод выполнен в виде кольца, причем оба электрода установлены в электрическом контакте с токопроводящей втулкой, а конструктивные параметры устройства удовлетворяют соотношениям

где C - емкость накопителя, Ф;

U - напряжение заряда емкостного накопителя, В;

m - масса плазмообразующего вещества, кг;

Q_пл - удельная теплота плавления плазмообразующего вещества, Дж/кг;

Q_исп - удельная теплота испарения плазмообразующего вещества, Дж/кг;

d - диаметр капиллярного отверстия в плоском изоляторе, м;

Δ - толщина плоского изолятора (длина капиллярного отверстия), м;

L - индуктивность разрядного контура, Гн;

A=10¹⁰ Вт/м² - постоянный коэффициент.

Здесь удельная энергия, необходимая для расплавления плазмообразующего вещества, включает энергию для нагрева вещества от исходной температуры до температуры плавления и энергию для плавления вещества, находящегося при температуре плавления:

Q_пл=k₁(Т_пл-T₀)+λ,

где k₁ - удельная теплоемкость плазмообразующего вещества, находящегося в твердом состоянии;

Т_пл - температура плавления плазмообразующего вещества;

T₀ - исходная температура плазмообразующего вещества;

λ - удельная теплота плавления плазмообразующего вещества при температуре плавления.

Удельная энергия, необходимая для испарения плазмообразующего вещества, включает Q_пл, энергию для нагрева вещества от температуры плавления до температуры кипения и энергию для испарения вещества при температуре кипения:

Q_исп=Q_пл+k₂(Т_кип-Т_пл)+r,

где r - удельная теплота испарения плазмообразующего вещества при температуре кипения;

k₂ - удельная теплоемкость плазмообразующего вещества, находящегося в жидком состоянии.

В варианте выполнения внутри цилиндрической токопроводящей трубки может быть размещено дополнительное количество плазмообразующего вещества.

В качестве плазмообразующего вещества может быть выбран алюминий.

Повышение КПД предлагаемого электроразрядного плазменно-вихревого источника оптического излучения происходит за счет того, что при его работе формируется импульс излучения со сложной временной структурой, интегральный высвет которого значительно повышается по сравнению с аналогами и прототипом.

Упрощение конструкции заключается в том, что в предлагаемом устройстве в принципе отсутствуют компоненты для первоначального высоковольтного пробоя капилляра.

Расширение функциональных возможностей предлагаемого электроразрядного плазменно-вихревого источника оптического излучения обусловлено как специфической, нестандартной для электроразрядных излучателей формой генерируемого импульса излучения, так и возможностями ее трансформации сравнительно простыми экспериментальными методами, что позволяет решать дополнительные задачи, например имитацию специальных воздействий.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 изображена схема электроразрядного плазменно-вихревого источника оптического излучения, на фиг.2 - осциллограмма импульса излучения.

Электроразрядный плазменно-вихревой источник излучения содержит зарядное устройство 1, обеспечивающее заряд емкостного накопителя 2. В примере выполнения емкость накопителя составляла 350 мкФ. Емкостный накопитель 2 через управляемый разрядник 3 электрически подключен к электродам, один из которых выполнен в виде заглушки 4, а другой 5 - в виде кольца вокруг капиллярного отверстия в изоляторе 6. Толщина изолятора 50 мм, диаметр отверстия 10 мм. В капиллярном отверстии в изолятора 6 установлена цилиндрическая токопроводящая трубка 7 из плазмообразующего материала, например алюминия. В примере выполнения трубка 7 изготовлена из алюминиевой фольги толщиной 20 мкм. Трубка 7 находится в электрическом контакте с электродами 4 и 5. В трубке 7 может размещаться дополнительное количество плазмообразующего вещества, например, в виде порошка. В примере выполнения полная масса плазмообразующего вещества (масса фольги и порошка алюминия) составляла 200 мг.

Предложенный источник излучения работает следующим образом.

Включается зарядное устройство 1 и осуществляется заряд емкостного накопителя 2. В примере выполнения напряжение накопителя составляет 3,7 кВ, что для величины емкости накопителя 350 мкФ соответствует запасенной электрической энергии 2,4 кДж. После достижения необходимого зарядного напряжения зарядное устройство 1 выключается, напряжение накопителя оказывается приложенным к разрядным электродам управляемого разрядника 3.

От внешнего источника (на фиг.1 не показан) на разрядник 3 подается управляющий импульс, разрядник коммутирует цепь и напряжение емкостного накопителя 1 оказывается приложенным к электродам 4 и 5. Под действием этого напряжения между электродами 4 и 5 по токопроводящей трубке 7 возникает электрический ток, который быстро разогревает и расплавляет материал трубки. Нагретый до температуры, близкой к температуре испарения, расплав фольги уменьшает локальную плотность воздуха вблизи стенки капилляра и тем самым существенно облегчает условия для электрического пробоя. В результате в этой зоне возникает электрический разряд в воздухе между электродами 4 и 5. Возникающая при этом воздушная ударная волна диспергирует жидкую фазу, мелкодисперсные капли алюминия под действием тепловых (преимущественно радиационных) потоков из плазмы испаряются и ионизируются, и начиная с некоторого момента времени состав электроразрядной плазмы определяется в основном материалом фольги. При этом не вся масса плазмообразующего вещества переходит в плазменное состояние, значительная ее доля остается в капельной фазе, и истекающий из капилляра поток является существенно гетерогенным.

Истечение плазмы сопровождается оттеснением воздуха из области, прилегающей к выходному отверстию капилляра, и формированием контактной границы «плазма-воздух». При этом в воздухе образуется ударная волна 8 и прослойка ударно сжатого газа 9, на которой происходит торможение истекающей из капилляра плазменной струи.

Осевое движение ударно сжатой плазмы сопровождается ее радиальным расширением, причем в начальный период торможения скорость радиального расширения близка к продольной скорости контактной границы. Радиальный разлет плазмы приводит к уменьшению ее температуры, конкурирующим с точки зрения выхода излучения процессом является рост геометрических размеров тела свечения. В результате в первые 20…25 мкс истечения мощность излучения, регистрируемая с фронта струи, монотонно возрастает. Яркостные температуры излучения в первом максимуме составляют 8…10 кК при характерных размерах тела свечения 4…7 см.

Примерно к 150 мкс с начала тока процессы ударного торможения плазменной струи в основном завершаются. На этой, быстрой, стадии течения достигаются максимальные яркостные температуры и мощности излучения - осевая сила излучения составляет ~200 кВт/ср.

К концу быстрой стадии в результате динамической суперпозиции осевого и радиального движений плазмы контактная граница приобретает характерную «грибовидную» форму, при этом в полости «шляпки гриба» создается разреженность. Это приводит к возникновению обратного движения, последующей закрутке газа на периферии и в конечном итоге к формированию крупномасштабного тороидального плазменного вихря 10.

Одновременно с формированием вихревого течения продолжается истечение из капилляра парокапельного потока, который индуцированным полем вихря захватывается в циркуляционное движение. При взаимодействии с кислородом воздуха, также захватываемым в вихрь, мелкодисперсные капли алюминия окисляются, а выделяемая при этом дополнительная тепловая энергия трансформируется в энергию вращательного движения и энергию излучения. В результате формируется долгоживущее (несколько миллисекунд) плазменно-вихревое образование, которое интенсивно излучает световую энергию с яркостной температурой 3…4 кК.

Приведенное описание работы электроразрядного плазменно-вихревого источника излучения и достижение заявленного технического результата имеет место лишь при условии соблюдения определенных взаимосвязей между конструктивными параметрами устройства.

Так, соотношение (1) ограничивает выбор емкости накопителя и напряжения на нем (а следовательно, и запасаемой электрической энергии) в таких пределах, которые, с одной стороны, обеспечивают расплавление всего помещенного в капиллярное отверстие плазмообразующего вещества, а с другой стороны, предотвращает полное испарение плазмообразующего вещества (поскольку не вся энергия, запасенная в конденсаторе, вкладывается в полезную нагрузку). В результате плазмообразующее вещество попадает в плазменную струю в виде мелкодисперсной гетерогенной суспензии и в таком состоянии эффективно вступает в реакцию окисления кислородом воздуха, интенсивно захватываемым тороидальным вихрем.

Соотношение (2) обеспечивает высокую скорость протекания процессов генерации плазмы, формирование сильной ударной волны в капилляре, необходимой скорости истечения плазмы из отверстия в изоляторе, высокую скорость вихревого движения и интенсивное окисление (горение) мелкодисперсных капель плазмообразующего вещества при его перемешивании с воздухом в вихревой зоне (эффект вихревой горелки).

В результате выполнения указанных соотношений создаются условия для самоподдержания устойчивого плазменно-вихревого образования, излучение которого формирует вторую, медленную, стадию результирующего импульса излучения предложенного источника излучения.

Таким образом, заявленная в формуле изобретения совокупность существенных признаков обеспечивает при работе предложенного электроразрядного плазменно-вихревого источника излучения протекание таких физических процессов, которые приводят к двухстадийному характеру образующейся излучающей плазмы и, соответственно, к двухстадийному импульсу излучения. Наличие 2-й, медленной, стадии на порядок увеличивает общий высвет излучения и КПД источника по отношению к электрической энергии, запасенной емкостным накопителем.

На фиг.2 изображен характерный вид импульса излучения, формируемого предложенным электроразрядным плазменно-вихревым источником излучения, при регистрации с фронта ударной волны. Здесь Р_изл - интегральная по спектру сила излучения; Е_изл - энергия излучения в единичном телесном угле.

Расчеты, выполненные на основании результатов экспериментальных измерений показывают, что полная энергия излучения в телесном угле 4π стерадиан оказывается близкой к энергии, запасенной в емкостном накопителе, т.е. КПД предложенного источника излучения по отношению к запасенной в емкостном накопителе электрической энергии приближается к 1. Вполне вероятно, что при более детальном подборе конструктивных параметров в пределах, определяемых соотношениями (1) и (2), можно достичь величины КПД больше 1, что в данном случае не противоречит закону сохранения энергии.

Действительно, общие затраты энергии на образование и поддержание излучающей плазмы и квазиустойчивого плазменно-вихревого излучающего образования складываются из электрической энергии, запасенной в емкостном накопителе, и тепловой энергии, выделяющейся при протекании химической реакции окисления алюминия, присутствующего в плазменном вихре в виде мелкодисперсных капель.

Таким образом, КПД предлагаемого устройства, определяемый как отношение полной излученной энергии к энергии, запасенной в емкостном накопителе, вполне может превышать 1.

Предложенный электроразрядный плазменно-вихревой источник излучения может быть использован, например, для проверки и калибровки различных фотоприемников с одновременной регистрацией работоспособности сравнительно быстропротекающих и медленнопротекающих процессов. Кроме того, такая уникальная форма выходного импульса излучения позволяет применить предложенный источник для имитации специальных воздействий, например излучения воздушного ядерного взрыва.

1. Электроразрядный плазменно-вихревой источник оптического излучения, содержащий зарядное устройство, емкостный накопитель, управляемый разрядник, два электрода, размещенных у капиллярного отверстия в плоском изоляторе, один из них выполнен в виде заглушки, при этом емкостный накопитель, электроды и управляемый разрядник электрически соединены между собой так, что образуют разрядный контур, отличающийся тем, что в капиллярном отверстии установлена цилиндрическая токопроводящая трубка из плазмообразуюшего вещества, второй электрод выполнен в виде кольца, причем оба электрода установлены в электрическом контакте с токопроводящей втулкой, а конструктивные параметры устройства удовлетворяют соотношениям


где С - емкость накопителя, Ф;
U - напряжение заряда емкостного накопителя, В;
m - масса плазмообразующего вещества, кг;
Q_пл - удельная теплота плавления плазмообразующего вещества, Дж/кг;
Q_исп - удельная теплота испарения плазмообразующего вещества, Дж/кг;
d - диаметр капиллярного отверстия в плоском изоляторе, м;
Δ - длина капиллярного отверстия, м;
L - индуктивность разрядного контура, Гн;
А=10¹⁰ Вт/м² - постоянный коэффициент.

2. Электроразрядный плазменно-вихревой источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что внутри цилиндрической токопроводящей трубки размещено дополнительное количество плазмообразующего вещества.

3. Электроразрядный плазменно-вихревой источник оптического излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего вещества выбран алюминий.