ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 3, с. 106-116
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 621.316.543
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНОГО ПРОМЕЖУТКА ПРИ ПРОБОЕ В НЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ДЛЯ КОММУТАЦИИ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ
© 2007 г. Г. И. Долгачев, Д. Д. Масленников, А. Г. Ушаков, А. С. Федоткин, И. А. Ходеев
РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Курчатова, 1 Поступила в редакцию 31.08.2006 г.
Описана система согласования выхода многомодульного плазменного прерывателя тока (п.п.т.) с нагрузкой типа "лайнер", имеющей малый начальный импеданс. Основным элементом системы является разделительный разрядник, позволяющий осуществить синхронизацию модулей п.п.т. и предотвратить повторное замыкание п.п.т., отсекающее индуктивный накопитель от нагрузки. Предложенный и испытанный ранее разрядник на основе многозазорного взрывоэмиссионного диода обладает недостаточной электропрочностью для использования в проекте "Байкал" по созданию сверхмощного импульсного генератора. Решается актуальная задача повышения электропрочности миллиметрового вакуумного зазора, являющегося базовым элементом указанного разрядника. Предложено использовать электроды типа "острие (анод) - плоскость (катод)", что позволяет сконцентрировать электрическое поле на острийном аноде и таким образом повысить прочность зазора. Приведены результаты экспериментов по исследованию вакуумного пробоя в такой системе электродов. Показано, что данное предложение позволяет повысить в несколько раз прочность зазора, обеспечить высокий ресурс электродов за счет низкой плотности энерговыделения, стабильно получать многоканальный, т.е. малоиндуктивный, пробой. Приведена схема макета разрядника, получены его пробойные характеристики, представлена схема полномасштабного разрядника.
PACS: 52.75.Kq, 52.80.Vp
1. ВВЕДЕНИЕ
Российская программа "Байкал" предполагает создание мощного генератора с выходным обост-рителем мощности на основе плазменного прерывателя тока (п.п.т.) для экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу [1]. Предполагается использовать многомодульный п.п.т. с применением внешнего, создаваемого сторонним источником магнитного поля. При применении лайнера в качестве нагрузки возникает серьезная задача согласования п.п.т. с нагрузкой. Дело в том, что импеданс лайнера имеет малую начальную величину и возрастает во времени по мере вклада в него энергии.
Известно [2], что разброс времени срабатывания параллельных модулей п.п.т. At ~ 2съ/2н, где
- импеданс линии связи между модулями, 2н -импеданс нагрузки. Из-за малой начальной величины импеданса лайнера, 2н ~ 0, синхронизация модулей становится фактически невозможной. Более того, по этой же причине невозможна передача энергии индуктивного накопителя в лайнер: малейшее "срабатывание" п.п.т., т.е. появление на нем малого напряжения, приводит к перебросу тока в лайнер - нагрузку с практически нулевым начальным импедансом. После этого
вклад энергии в п.п.т. и, следовательно, процесс эрозии плазмы и создания вакуумного магнито-изолированного зазора между его электродами прекращаются. В итоге происходит повторное замыкание п.п.т., отсекающее энергию индуктивного накопителя от нагрузки.
Для согласования многомодульного п.п.т. с нагрузкой типа "лайнер", т.е. для создания условий синхронизации модулей и оптимальной передачи энергии в нагрузку, предложено использовать разделительный разрядник между общим выходом модулей п.п.т. и нагрузкой. В экспериментах по синхронизации модулей [3] показано, что применение разделительного разрядника позволяет перераспределить токи между модулями, получить высокое сопротивление каждого модуля и после пробоя разрядника передать ток в низкоиндуктивную нагрузку. При этом модули п.п.т. работают как единый п.п.т. с суммарным количеством плазменных пушек.
Для предотвращения повторного замыкания п.п.т. и эффективной передачи энергии в лайнер необходимо выделить в п.п.т. энергию, достаточную для получения "глубокой" эрозии плазмы, т.е. для создания вакуумного зазора с изоляцией внешним магнитным полем. Для решения этой
задачи также используется разделительный разрядник, позволяющий выделить в п.п.т. необходимую энергию и получить соответствующее напряжение.
В работе [4] было показано, что напряжение п.п.т. определяется плотностью энергии w, затрачиваемой на ускорение ионов - эрозию плазмы: Цппт ^ w4/7. Этот факт позволяет оценить зависимость напряжения от к.п.д. передачи энергии: если вся энергия выделяется в п.п.т., т.е. п = 0, то напряжение п.п.т. достигает максимально возможного
значения: иппт мах — w4/7 — W,", где W0 - энергозапас накопителя. Если часть энергии Wn передается в нагрузку, то к.п.д. передачи энергии п = W/Wo, и получаемое напряжение на п.п.т. составит иппт — - (W0 - WJ4/7 = ((1 - n)W0)4/7. В свою очередь
иппт мах = «1,2 иин, где коэффициент а = 2.5 (МВ)-3/7
для п.п.т. без внешнего магнитного поля и а2 =
= 3.6 (МВ)-3/7 для п.п.т. с внешним полем. Здесь напряжения п.п.т. иппт мах и первичного накопителя (генератора Маркса) игин выражены в мега-вольтах. На основании результатов [4] мы находим зависимость напряжения п.п.т. от к.п.д. передачи энергии в нагрузку:
иппт = аь 2 (( 1-П) Uгин )4/7 = ( 1- n )4/7 иппт max. (1)
В работе [5] применение разделительного разрядника позволило передать в емкостную нагрузку - аналог лайнера —25% энергии индуктивного накопителя и предотвратить повторное замыкание п.п.т. в течение ~1 мкс. Таким образом, в системе передачи энергии индуктивного накопителя в лайнер с помощью многомодульного п.п.т. разделительный разрядник является важным элементом, позволяющим обеспечить не только синхронизацию модулей, но и эффективную передачу энергии в лайнер.
В работе [6] в качестве разделительного разрядника был предложен вакуумный многозазорный диод с взрывной эмиссией электронов [7]. Прочность такого разрядника определяется суммарной прочностью всех зазоров, время срабатывания - временем замыкания одного зазора (~1 мм), поскольку все зазоры замыкаются одновременно. В случае плоских электродов с миллиметровым зазором длительность прямоугольного импульса напряжения определялась как
Тимп [мкс] = 1/( и[ кВ ] -10). (2)
Согласно формуле (2), при напряжении на миллиметровом зазоре между плоскими электродами менее 10 кВ, т.е. при напряженности электрического поля ниже порога взрывной эмиссии (E < 100 кВ/см), пробоя в микросекундном диапазоне длительностей не происходит. Именно такой
разрядник применялся в экспериментах [5]. Однако в реальной схеме сверхмощного генератора при напряжении >3 МВ необходимо ~50 зазоров, что технически осуществить крайне трудно.
Цель данной работы - поиск путей увеличения прочности миллиметрового вакуумного зазора и разработка схемы разрядника с более высокими характеристиками.
2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА РАЗРЯДНИКА
Для повышения электрической прочности высоковольтного вакуумного зазора используются различные способы обработки ограничивающих зазор электродов: нагрев и обезгаживание при низких давлениях, тренировка многими пробоями или ионная имплантация, облучение импульсными электронными пучками, предпробойная эмиссия (с помощью предымпульса) или обработка газом. Обзор таких методов приведен в [8].
Однако для реальной схемы п.п.т., являющейся сложной многоэлектродной системой с изолированными электродами в паромасляном вакууме, такую подготовку проводить практически невозможно. Поэтому для повышения прочности миллиметрового вакуумного зазора предлагается использовать анод в виде острой кромки, а катод - в виде плоскости. Такая геометрия позволяет сконцентрировать электрическое поле на острой кромке анода и соответственно повысить прочность зазора. На рис. 1 показано распределение поля в таком зазоре. Видно, что при напряжении на зазоре 1 В напряженность поля на поверхности катода достигает максимума непосредственно под кромкой и составляет Е1 ~ 0.66 В/см. Для плоских электродов напряженность составила бы Е2 = 1 В/см. Таким образом, чтобы получить такую же напряженность на катоде в геометрии "кромка - плоскость" напряжение на зазоре необходимо увеличить в ~1.5 раза. Расчеты полей для разной геометрии электродов показывают, что изменение формы кромки (угла заточки в диапазоне 15°-30°, толщины кромки в пределах 0.05-3 мм) практически не влияет на напряженность поля на плоском катоде. Таким образом, приведенное распределение полей показывает, что для достижения на поверхности катода порога взрывной эмиссии (Е > >100 кВ/см) в данной геометрии электродов потребуется приложить напряжение в 1.5 раза больше, чем в случае плоских электродов, т.е. можно надеяться на увеличение электропрочности зазора в полтора раза.
Создание разрядника требует экспериментального изучения электропрочности зазора, стойкости анодной кромки, ее ресурса, динамики плазмы в зазоре, определения числа каналов пробоя и пр. Было проведено две серии экспериментов: первая -
Е, В/мм 0.6 -
0.4
Рис. 1. Распределение полей в зазоре "острие-плоскость".
на аноде с короткой кромкой, вторая - на макете кольцевого разрядника с длинной анодной кромкой.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В первой серии экспериментов использовался анод с кромкой длиной 4 мм (рис. 2), что позволило проводить съемку свечения приэлектродной плазмы в двух направлениях. Угол заточки анодной кромки составлял 15°, острие кромки легко резало бумагу. Схема эксперимента (рис. 3) обеспечивала измерение реальной прочности разрядника и скорости его закоротки с помощью делителя напряжения и токового шунта, определение динамики свечения зазора с помощью фотографий, полученных электронно-оптическим преобразователем (э.о.п.) (экспозиция 50 нс). В качестве источника импульсного напряжения применялся 3-каскадный генератор импульсного напряжения (г.и.н.) на керамических емкостях К15-24 с параметрами С = 5.1 нФ, и = 70-120 кВ, р = 25 Ом. Генератор обеспечивал погонные (вдоль кромки анода) плотности тока и заряда до ~10 кА/см и ~2 мКл/см соответственно. Это примерно соответствует параметрам установки МОЛ (~10 кА/см, 1 мКл/см при длине анодной кромки ~3 м).
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.