Устройство для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной магнитоактивной плазме

Изобретение относится к таким областям электрофизики, как высоковольтная импульсная техника, сильноточная полупроводниковая электроника, физика плазмы, и может быть использовано для генерации электромагнитных возмущений в больших объемах низкотемпературной магнитоактивной плазмы посредством формирования в излучающей антенне импульсов тока как стандартной (синус, прямоугольный, пилообразный), так и произвольной формы в целях проведения научно-исследовательской деятельности. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной магнитоактивной плазме за счет обеспечения возможности формирования в антенне как пакетов импульсов со сложным гармоническим составом, так и импульсов тока произвольной формы. Устройство для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной магнитоактивной плазме содержит источник импульсов тока и изолированную от плазмы антенну, генерирующую электромагнитные возмущения и выполненную в виде катушки с током, размещаемой внутри плазменного объема. Источник импульсов тока состоит из n одинаковых последовательно соединенных сегментов, причем каждый сегмент содержит обходной диод, к которому через управляемый коммутатор параллельно подключен элементарный источник постоянного тока, а обходной диод включен обратно по отношению к полярности элементарного источника тока, при этом к выводам источника импульсов тока подключены две параллельные одинаковые ветви, причем каждая ветвь содержит последовательно соединенные переключатель полярности импульса тока в виде управляемого коммутатора и резистор, а генерирующая электромагнитные возмущения антенна подключена между точками присоединения резисторов к переключателям полярности. 3 ил.

 

Изобретение относится к таким областям электрофизики, как высоковольтная импульсная техника, сильноточная полупроводниковая электроника, физика плазмы и может быть использовано для генерации электромагнитных возмущений в больших объемах низкотемпературной магнитоактивной плазмы посредством формирования в излучающей антенне импульсов тока как стандартной (синус, прямоугольный, пилообразный), так и произвольной формы в целях проведения научно-исследовательской деятельности.

Для генерации электромагнитных возмущений в больших объемах (V~10 м²) низкотемпературной (T_e~10 эВ) замагниченной плазмы необходимы источники, позволяющие формировать в излучающих антеннах с характерным размером ~0,1 м, представляющих собой индуктивные нагрузки, как одиночные, так и пакеты импульсов тока с амплитудами ~10 А и частотами ~100 кГц.

Из предшествующего уровня техники известно устройство для возбуждения электромагнитных волн, и соответственно, возмущений в магнитоактивной плазме, выполненное на основе источника энергии и антенны в виде металлической поверхности-сектора, вдоль которой распространяются электромагнитные волны [1].

Данное устройство генерирует только широкополосное электромагнитное излучение без ярко выраженной несущей частоты и потому может быть эффективно использовано лишь для нагрева больших объемов высокотемпературной замагниченной плазмы, например, в термоядерных установках.

Известно устройство для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной замагниченной плазме, представляющее собой источник тока в виде емкостного накопителя электроэнергии и размещаемую внутри плазменного столба изолированную антенну, выполненную в виде одиночного витка с током диаметром 1,2 см из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом [2]. Данное устройство позволяет формировать в антенне одиночные импульсы тока с амплитудой ~1 А с характерными временами нарастания и спада ~0,2 мкс и общей длительностью ~10 мкс.

Основными недостатками этого устройства являются слабая степень возмущения плазмы, обусловленная малой амплитудой формируемого в антенне импульса тока, а также возможность использования данного устройства для генерации только одиночных импульсов.

Известно устройство для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной замагниченной плазме на лабораторном стенде LAPD [3], состоящее из емкостного источника тока, формирующего импульсы тока с фиксированной амплитудой, и погружаемой в плазму изолированной антенны в виде катушки диаметром 9 см с четырьмя витками. Источник в комплексе с катушкой представляет собой колебательный RLC-контур, формирующий в антенне пакеты синусоидальных импульсов тока с частотой до 500 кГц и амплитудой ~10 А.

Недостатками данного устройства являются неспособность генерировать апериодические возмущения, а также возмущения, имеющие сложный гармонический состав, поскольку RLC-контур позволяет формировать токи только с одной фиксированной частотой, регулировка которой осуществляется посредством изменения электроемкости источника тока.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для генерации электромагнитных возмущений в больших объемах низкотемпературной магнитоактивной плазмы в составе лабораторного стенда LVPD [4]. Это устройство включает в себя два независимых источника тока, поочередно подключаемых к размещаемой внутри плазменного столба изолированной антенне, выполненной в виде катушки с током. При подключении одного источника в антенне формируется одиночный апериодический импульс тока. При подключении другого источника образуется колебательный RLC-контур и через антенну проходят синусоидальные токи с амплитудой ~10 А фиксированной частоты (~500 кГц).

Недостатком данного устройства, ограничивающим его применение, является узкий набор его функциональных возможностей. В частности, устройство неспособно формировать в антенне импульсы тока, получаемые в результате наложения синусоидальных импульсов со сложным гармоническим составом и апериодических импульсов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной магнитоактивной плазме с расширенными функциональными возможностями.

Техническим результатом предложенного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной магнитоактивной плазме за счет обеспечения возможности формирования в антенне как пакетов импульсов со сложным гармоническим составом, так и импульсов тока произвольной формы.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной магнитоактивной плазме, содержащем источник импульсов тока и изолированную от плазмы антенну, генерирующую электромагнитные возмущения и выполненную в виде катушки с током, размещаемой внутри плазменного объема, новым является то, что источник импульсов тока состоит из n одинаковых последовательно соединенных сегментов, причем каждый сегмент содержит обходной диод, к которому через управляемый коммутатор параллельно подключен элементарный источник постоянного тока, а обходной диод включен обратно по отношению к полярности элементарного источника тока, при этом к выводам источника импульсов тока подключены две параллельные одинаковые ветви, причем каждая ветвь содержит последовательно соединенные переключатель полярности импульса тока в виде управляемого коммутатора и резистор, а генерирующая электромагнитные возмущения антенна подключена между точками присоединения резисторов к переключателям полярности.

Использование источника импульсов тока, состоящего из n одинаковых последовательных сегментов, содержащих элементарные источники постоянного тока, управляемые коммутаторы и обходные диоды, позволяет формировать в нагрузке токовые сигналы посредством наложения друг на друга с заданной временной последовательностью прямоугольных импульсов, возникающих при замыканиях коммутаторов сегментов, и тем самым генерировать в антенне пакеты токовых импульсов со сложным гармоническим составом, а также импульсы произвольной формы. При этом обходные диоды обеспечивают замкнутый токовый путь через сегменты с разомкнутыми коммутаторами.

Подключение к выводам источника импульсов тока двух параллельных ветвей, содержащих последовательно соединенные управляемые переключатели полярности и резисторы, позволяет производить переполюсовку тока в нагрузке в заданные моменты времени, и в совокупности с источником импульсов тока обеспечивает возможность формирования в антенне пакетов токовых импульсов со сложным гармоническим составом, а также импульсов произвольной формы.

Включение генерирующей электромагнитные возмущения антенны между точками присоединения резисторов к управляемым переключателям полярности при поочередном заданном включении переключателей полярности позволяет регулировать направление тока в антенне и тем самым обеспечивает возможность формирования в антенне пакетов токовых импульсов со сложным гармоническим составом, а также импульсов произвольной формы.

На Фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, где 1 - источник импульсов тока, 2 - генерирующая электромагнитные возмущения антенна, 3 - сегменты источника импульсов тока, 4 - управляемые коммутаторы, 5 - элементарные источники постоянного тока, 6 - обходные диоды, 7 - выводы источника импульсов тока, 8 - параллельные ветви, 9 - управляемые переключатели полярности, 10 - резисторы.

На Фиг. 2 приведена осциллограмма сформированного в антенне токового сигнала, полученного в результате наложения синусоидальных импульсов со сложным гармоническим составом и апериодического импульса тока.

На Фиг. 3 представлена осциллограмма сформированного в антенне импульса тока произвольной формы.

Устройство для генерации электромагнитных возмущений в больших объемах низкотемпературной магнитоактивной плазмы (Фиг. 1) содержит источник импульсов тока 1, состоящий из n одинаковых последовательных сегментов 3, включающих в себя элементарные источники постоянного тока 5, выполненные в виде батарей гальванических элементов, управляемые полупроводниковые коммутаторы 4 и обходные диоды 6. К выводам 7 источника импульсов тока 1 присоединены две одинаковые параллельные ветви 8. Отдельная ветвь 8 состоит из последовательно соединенных переключателя полярности 9 в виде управляемого полупроводникового коммутатора и низкоиндуктивного резистора 10. Между точками присоединения резисторов 10 и переключателей полярностей 9 соответствующих ветвей 8 подключена генерирующая электромагнитные возмущения антенна 2.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени внешний блок управления, выполненный на основе микроконтроллера, согласно запрограммированному в нем алгоритму воспроизведения импульса тока начинает формировать параллельные сигналы управления для коммутаторов 4 (IXYS DE 475 - 102N21A). Коммутаторы 4, на которые приходят логические «единицы», замыкаются. При этом на выводах 7 источника импульсов тока 1 возникает разность потенциалов, равная сумме напряжений подключенных к замкнутым коммутаторам 4 элементарных источников постоянного тока 5. Разомкнутые коммутаторы 4 и подключенные к ним элементарные источники 5 обтекаются током через обходные диоды 6 (HFA 30РВ 120PBF). В последующие моменты времени сигналы управления для коммутаторов 4 изменяются согласно алгоритму воспроизведения импульса тока, в связи с чем изменяется и число замкнутых коммутаторов 4 и, соответственно, величина напряжения на выводах 7 источника импульсов тока 1. Так, посредством управляемой пошаговой коммутации элементарных источников тока 5 формируются импульсы произвольной формы, в том числе и пакеты импульсов со сложным гармоническим составом.

Также внешний блок управления генерирует сигналы управления для полупроводниковых переключателей полярности 9 (IXYS DE 475 - 102N21A). В заданные моменты времени происходит их поочередная коммутация и, соответственно, подключение к выходным клеммам 7 источника импульсов тока 1 той или иной ветви 8. При этом через замкнутый переключатель полярности 9 протекает общий ток. В узле присоединения к ветви 8 с замкнутым переключателем полярности 9 антенны 2 общий ток распараллеливается. Большая его часть (~60%) протекает напрямую через низкоиндуктивный резистор 10 (ТВО-5,8 Ом) ветви 8 с замкнутым переключателем полярности 9, а другая часть общего тока (~40%) проходит через антенну 2 и другой низкоиндуктивный резистор 10. При одновременном отключении ранее замкнутого переключателя полярности 9 и коммутации ранее разомкнутого переключателя полярности 9 направление тока в антенне 2 изменяется на противоположное. Таким образом осуществляется переполюсовка тока и, соответственно, формирование в антенне 2 двуполярных импульсов тока. При этом индуктивность антенны обеспечивает сглаживание ступенчатой формы импульсов тока, а распараллеливание токов через резисторы 10 позволяет минимизировать сдвиг фаз между импульсами напряжения и тока и тем самым производить переполюсовку при минимальном значении тока в антенне 2, что благоприятно сказывается на рабочем ресурсе переключателей полярности 9.

В примере конкретного исполнения на предприятии ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» реализовано заявляемое устройство, в котором источник импульсов тока 1 состоит из десяти сегментов 3, а элементарные источники постоянного тока 5 выполнены в виде последовательных сборок из четырех аккумуляторных батарей марки DJW 12-0,8 (12 В, 0,8 А⋅ч), параллельно которым подключены буферные конденсаторы (50 В, 200 мкФ). При этом антенна 2 представляет собой катушку индуктивности с девятью витками медного провода в лаковой изоляции (ПЭТВ-2, d=0,8 мм), намотанными в три слоя на фторопластовый каркас диаметром 30 мм. С помощью этого устройства при проведении экспериментальной деятельности в столбе низкотемпературной гелиевой магнитоактивной плазмы длинной 7 м и диаметром ≈0,3 м с концентрацией ~10¹² см^-3 многократно генерировались разнообразные варианты возмущений посредством формирования в антенне апериодических и имеющих сложный гармонический состав импульсов тока и их комбинаций, а также импульсов произвольной формы. В качестве наглядного примера на Фиг. 2 приведена осциллограмма сформированного в антенне токового сигнала, полученного в результате наложения синусоидальных компонент с частотами 200 кГц и 400 кГц и апериодической составляющей, а на Фиг. 3 - импульса тока произвольной формы.

Источники информации:

[1] А.с. №845743, опубл. 15.04.1982 г., Лонгинов А.В., Степанов К.Н., Устройство для возбуждения электромагнитных волн в плазме.

[2] Garima Joshi, G. Ravi, S. Mukherjee Pramana - J.Phys. (2018) 90:79.

[3] Waves in plasmas generated by a rotating magnetic field and implications to radiation belts, Dissertation on a doctor of philosophy of Alexey V. Karavaev, 2010.

[4] S.K. Mattoo, V.P. Anitha, L.M. Awasthi, G. Ravi J. Rev. Sci. Instrum. 2001, 72 (10), p. 3864.

Устройство для генерации электромагнитных возмущений в низкотемпературной магнитоактивной плазме, содержащее источник импульсов тока и изолированную от плазмы антенну, генерирующую электромагнитные возмущения и выполненную в виде катушки с током, размещаемой внутри плазменного объема, отличающееся тем, что источник импульсов тока состоит из n одинаковых последовательно соединенных сегментов, причем каждый сегмент содержит обходной диод, к которому через управляемый коммутатор параллельно подключен элементарный источник постоянного тока, а обходной диод включен обратно по отношению к полярности элементарного источника тока, при этом к выводам источника импульсов тока подключены две параллельные одинаковые ветви, причем каждая ветвь содержит последовательно соединенные переключатель полярности импульса тока в виде управляемого коммутатора и резистор, а генерирующая электромагнитные возмущения антенна подключена между точками присоединения резисторов к переключателям полярности.