RU2397625C2

RU2397625C2 - Method of effective conversion of electric energy to plasma energy

Info

Publication number: RU2397625C2
Application number: RU2008134964/06A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Пресс (RU); Евгений Александрович Пресс
Original assignee: Евгений Александрович Пресс
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-08-20
Also published as: RU2008134964A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method is implemented by using high-voltage transformer of plasma generator with few loops of windings and resistance of high-voltage winding of less than 1 Ohm, low discharge energy; at that, there provided is breakdown and momentary spark conductivity which is enough for arc discharge of capacitor in-series connected to high-voltage winding with voltage which is less than breakdown one up to the value which is less than voltage of glow discharge. Large volume of high-conductivity plasma, which has been obtained by plasma generator, closes contacts of discharger, the conductivity of which provides discharges of capacitors connected to dischargers, with charge voltage less than breakdown up to the value less than glow discharge voltage.

EFFECT: invention allows obtaining with high efficiency the spark discharges with high currents, large power and large volumes of plasma at low voltages of current sources and lengths of discharge gaps.

6 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в устройствах, где требуется с высоким КПД получать искровой разряд с большими током, мощностью и объемом плазмы с высокой удельной проводимостью при относительно небольшом напряжении источника тока и длине искрового зазора.The invention relates to electrical engineering and can be used in devices where it is required with high efficiency to obtain a spark discharge with high current, power and plasma volume with high specific conductivity with a relatively small voltage source current and the length of the spark gap.

Известен способ преобразования электроэнергии в энергию плазмы, в соответствии с которым получают дуговые разряды от источника тока (Патент РФ 2019727, кл. F02P 3/01, F02P 15/10, опубл. 15.09.1994, прототип). Недостатком данного способа является невозможность получения больших токов и объемов плазмы из-за большого сопротивления высоковольтной цепи.A known method of converting electricity into plasma energy, in accordance with which receive arc discharges from a current source (RF Patent 2019727, CL F02P 3/01, F02P 15/10, publ. 09/15/1994, prototype). The disadvantage of this method is the inability to obtain large currents and plasma volumes due to the high resistance of the high voltage circuit.

Задача изобретения - разработать способ, при использовании которого возможно создание простых, малогабаритных и дешевых устройств, позволяющих с малыми потерями и высоким КПД высокоэффективно преобразовывать электроэнергию источников тока, с малым внутренним сопротивлением и напряжением, меньшим пробивного, вплоть до значения значительно меньшего напряжения горения тлеющего разряда, в энергию плазмы. Получать электрические разряды с очень большими значениями токов, мощности и объемов высокотемпературной плазмы с высокой средней удельной проводимостью при относительно небольшой длине искрового промежутка.The objective of the invention is to develop a method by which it is possible to create simple, small-sized and cheap devices that allow low-loss and high-efficiency conversion of electric energy to current sources with a low internal resistance and a voltage lower than breakdown, up to a significantly lower burning voltage of a glow discharge in plasma energy. Receive electric discharges with very large values of currents, power and volumes of high-temperature plasma with a high average specific conductivity with a relatively small spark gap.

Способ преобразования электроэнергии в энергию плазмы, который осуществляют использованием энергии искровых разрядов посредством плазмогенератора, включающего конденсатор - основной источник энергии разряда плазмогенератора, включенный последовательно высоковольтной обмотке повышающего трансформатора с малыми значениями индуктивности и сопротивления высоковольтной обмотки, вплоть до значения менее 1 Ом, которые достигают уменьшением числа витков обмоток трансформатора и увеличением сечения провода высоковольтной обмотки; энергией разряда высоковольтного трансформатора осуществляют пробой и кратковременную высокую самостоятельную проводимость искрового промежутка плазмогенератора, которой обеспечивают дуговой разряд конденсатора, имеющего напряжение заряда меньше пробивного, вплоть до значения меньшего напряжения горения тлеющего разряда; напряжением заряда конденсатора, меньшим пробивного, обеспечивают ограничение максимально возможного тока разряда; уменьшением сопротивления высоковольтной цепи снижают потери электроэнергии на сопротивлении высоковольтной цепи, обеспечивают увеличение, до 400 А и более, токов разряда конденсатора; уменьшением сопротивления высоковольтной цепи и максимально возможного тока разряда увеличивают КПД разряда; увеличением тока разряда конденсатора и энергии, выделяемой в искровом промежутке, увеличивают объем плазмы с высокой удельной проводимостью; полученную плазмогенератором плазму используют для получения несамостоятельной проводимости искрового промежутка дополнительных разрядников, минимум одного, которые располагают на пути распространения плазмы; сочетанием высокой удельной проводимости и большого объема плазмы, достаточного для замыкания контактов дополнительных разрядников, причем, на большой площади, обеспечивают высокую несамостоятельную проводимость искрового промежутка дополнительных разрядников и дуговые разряды подключенных к ним источников тока с малым внутренним сопротивлением и напряжением меньшим пробивного, вплоть до значения меньшего напряжения горения тлеющего разряда; напряжением источника тока, подключенного к дополнительному разряднику, меньше пробивного ограничивают максимально возможный ток разряда в дополнительном разряднике; непосредственным подключением источника тока к контактам дополнительного разрядника уменьшают сопротивление и потери электроэнергии во внешней цепи разрядника, увеличивают ток разряда; уменьшением сопротивления внешней цепи разрядника и максимально возможного тока разряда увеличивают КПД разряда; увеличением тока разряда и энергии, выделяемой в искровом промежутке дополнительного разрядника, увеличивают получаемый объем плазмы с высокой удельной проводимостью. Плазмогенератором, при необходимости, создают плазменные токопроводящие струи, не менее одной, которыми замыкают контакты дополнительных разрядников, чем уменьшают объем плазмы на единицу длины искрового промежутка. Плазму, которую получают в дополнительном разряднике, при необходимости, используют для создания дуговых разрядов в других дополнительных разрядниках, которые располагают на пути распространения плазмы. В качестве источника тока, который подключают к дополнительному разряднику, при необходимости, используют заряженный конденсатор, чем обеспечивают уменьшение сопротивления внешней цепи разрядника для тока разряда. В плазмогенераторе и в дополнительных разрядниках, при необходимости, используют один и тот же источник тока. В плазмогенераторе и в дополнительных разрядниках, при необходимости, используют разные источники тока, в том числе и с разным напряжением.A method of converting electric energy into plasma energy, which is carried out using the energy of spark discharges by means of a plasma generator including a capacitor - the main source of energy of the plasma generator discharge, connected in series with the high-voltage winding of the step-up transformer with small inductance and resistance of the high-voltage winding, up to a value of less than 1 Ohm, which is achieved by the number of turns of the transformer windings and an increase in the cross section of the wire of the high voltage winding; discharge energy of a high-voltage transformer breakdown and short-term high self-conductivity of the spark gap of the plasma generator, which provide an arc discharge of a capacitor having a charge voltage less than breakdown, up to a value of a lower burning voltage of a glow discharge; a capacitor charge voltage lower than breakdown, provides a limitation of the maximum possible discharge current; by reducing the resistance of the high voltage circuit, they reduce the loss of electricity on the resistance of the high voltage circuit, provide an increase, up to 400 A or more, of the discharge currents of the capacitor; by reducing the resistance of the high-voltage circuit and the maximum possible discharge current increase the efficiency of the discharge; an increase in the discharge current of the capacitor and the energy released in the spark gap increase the volume of plasma with high conductivity; the plasma obtained by the plasma generator is used to obtain non-self-conductivity of the spark gap of additional spark gaps, at least one that is located on the plasma propagation path; a combination of high conductivity and a large plasma volume, sufficient to close the contacts of additional spark gaps, and, over a large area, provide high non-self-conductivity of the spark gap of additional spark gaps and arc discharges of current sources connected to them with a small internal resistance and a voltage lower than breakdown, up to the value less burning voltage of a glow discharge; the voltage of the current source connected to the additional arrester, less than the breakdown limit the maximum possible discharge current in the additional arrester; direct connection of a current source to the contacts of an additional spark gap reduces resistance and energy loss in the external circuit of the spark gap, increases the discharge current; by reducing the resistance of the external circuit of the spark gap and the maximum possible discharge current, increase the efficiency of the discharge; by increasing the discharge current and the energy released in the spark gap of the additional spark gap, the resulting plasma volume with high specific conductivity is increased. If necessary, a plasma generator creates plasma conductive jets, at least one, with which the contacts of additional arresters are closed, which reduces the plasma volume per unit length of the spark gap. The plasma, which is obtained in an additional spark gap, if necessary, is used to create arc discharges in other additional spark gap, which are located on the path of plasma propagation. If necessary, a charged capacitor is used as a current source, which is connected to an additional arrester, thereby reducing the resistance of the external circuit of the arrester for the discharge current. In the plasma generator and in additional arresters, if necessary, use the same current source. In the plasma generator and in additional arresters, if necessary, use different current sources, including those with different voltages.

Изобретение может быть применено в энергетике (в МГД генераторах); в плазмогенераторах для выработки большого объема плазмы с высокой удельной проводимостью; для плазмохимических процессов; возможно (необходимы дополнительные исследования), для решения медикобиологических проблем; в плазменных двигателях, используя тягу плазменной струи; в электросварочных технологиях (например, бесконтактное зажигание дуги, плазменные резаки); в военных целях (например, в качестве детонаторов; оружия, использующего большой объем и высокую скорость нарастания давления плазмы для придания большой скорости телам или поражения высокоскоростной струей плазмы; в рельсотронах, ускоряющих токопроводящей плазмой, за счет сил Ампера, не токопроводящие массы; оружия не летального действия - светошумового, или получения токопроводящих каналов, получаемых при истечении плазменных струй с высокой проводимостью, для использования в электрошоковых устройствах дистанционного действия; плазменной защиты от обнаружения радарами; снижение сопротивления движению с помощью плазмы и т.д.); в научных целях (например, в изучении физики плазмы при разрядах в относительно малых объемах со сверхбольшими энергией, импульсной мощностью и токами - влиянием пинч-эффекта, вплоть до получения температур и давлений, достаточных для возникновения термоядерных реакций, при условии стабилизации полученной плазмы); в экологических целях в системах очистки и обеззараживания; в плазменных технологиях; в сельском хозяйстве (например, для получения азотных удобрений из азота воздуха); в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в том числе для обеспечения движения только энергией электрического разряда.The invention can be applied in the energy sector (in MHD generators); in plasma generators for the production of a large volume of plasma with high conductivity; for plasma chemical processes; possibly (additional research is needed) to solve biomedical problems; in plasma engines using plasma thrust; in electric welding technologies (for example, non-contact arc ignition, plasma cutters); for military purposes (for example, as detonators; weapons that use a large volume and high rate of increase of plasma pressure to give high speed to bodies or to be hit by a high-speed plasma jet; in railguns accelerating with conductive plasma, due to Ampere forces, non-conductive masses; weapons do not lethal action - light-noise, or receiving conductive channels obtained during the expiration of plasma jets with high conductivity, for use in electroshock devices of remote action; protection against detection by radars; reduced resistance to movement with the help of plasma, etc.); for scientific purposes (for example, in the study of plasma physics in discharges in relatively small volumes with ultra-high energy, pulsed power and currents - the influence of the pinch effect, up to obtaining temperatures and pressures sufficient for the appearance of thermonuclear reactions, provided that the resulting plasma is stabilized); for environmental purposes in cleaning and disinfection systems; in plasma technologies; in agriculture (for example, to obtain nitrogen fertilizers from air nitrogen); in ignition systems of internal combustion engines, including for providing movement only with electric discharge energy.

Вольтамперная характеристика дугового разряда (более 0,1 А) имеет «падающую» характеристику. То есть чем больше ток, тем меньше сопротивление (больше проводимость) искрового промежутка, меньше напряжение горения дуги. Увеличение проводимости искрового промежутка с ростом тока дугового разряда связано с увеличением площади сечения дуги; с увеличением удельной проводимости (главный фактор), из-за термоэлектронной эмиссии, особенно при малых длинах искрового промежутка, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, звуковых и ударных сверхзвуковых волн; роста температуры (проводимость зависит от температуры в степени 3/2; при температуре в 10⁷ К проводимость ионизированного водорода больше, чем у серебра) (Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1988) за счет теплового действия тока. При большом токе разряда температура, а следовательно, проводимость повышается значительно больше, чем от предыдущих факторов, сверхсжатием плазмы дуги пинч-эффектом. Под действием кольцевых силовых линий, перпендикулярных оси разряда, собственного магнитного поля, при большом токе разряда, происходит сверхсжатие плазмы дуги в шнур - пинч-эффект (возможен пинч-эффект и под действием внешнего магнитного поля). Например, давление на поверхности канала разряда радиусом 0,2 м и токе 10⁶ А равно 4·10¹⁶паскалей, или 4·10¹¹ атмосфер (Троицкий О.А. «Молнии - оружие богов». М.: Информэлектро, 1998). Таким образом, даже при токах на 3-4 порядка меньших создаются условия для полной и глубокой, вплоть до атомов, диссоциации молекул газа в плазме разряда, их большой запасенной потенциальной энергии, особенно радикалов (имеющих энергию при температуре 60000 К - 20 эВ, много больше энергии тепловых частиц при той же температуре - 5,5 эВ, и 0,7 эВ при 8000 К); высокую концентрацию, в единице объема, заряженных частиц, обеспечивающих высокую, несмотря на большое давление, проводимость. При снижении тока разряда плазма расширяется со сверхзвуковой скоростью (на начальном этапе со скоростью порядка 10000 м/с) (Т.У.Асмус, К.Боргнакке, С.К.Кларк и др. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. М.: «Машиностроение», 1988. Глава - Искровое зажигание, физика процесса и его влияние на работу двигателя внутреннего сгорания). Ее высокоэнергетические заряженные частицы (электроны, ионы, радикалы) нагревают, ионизируют и диссоциируют молекулы газа, чему способствуют световое, ультрафиолетовое, мягкое рентгеновское излучение, а также звуковые и сверхзвуковые ударные волны (сжатые ударной волной молекулы газа лопаются - диссоциируют, попадая в область пониженного давления, за фронтом ударной волны, не выдерживая резкого перепада давлений). При снижении давления в плазме удельная проводимость растет. Перечисленные факторы замедляют скорость падения удельной проводимости с увеличением объема плазмы при расширении. Объем получаемой плазмы растет не только за счет теплового расширения, но и за счет диссоциации молекул газа.The current-voltage characteristic of the arc discharge (more than 0.1 A) has a "falling" characteristic. That is, the larger the current, the lower the resistance (greater conductivity) of the spark gap, the lower the arc burning voltage. An increase in the conductivity of the spark gap with increasing current of the arc discharge is associated with an increase in the cross-sectional area of the arc; with an increase in specific conductivity (the main factor), due to thermionic emission, especially at small spark gap lengths, ultraviolet and soft X-rays, sound and shock supersonic waves; temperature increase (conductivity depends on the temperature to a power of 3/2; at a temperature of 10 ⁷ K, the conductivity of ionized hydrogen is greater than that of silver) (Koshkin NI, Shirkevich MG Handbook of elementary physics. M.: Science. Edited by Phys.-Math. Lit., 1988) due to the thermal action of the current. With a large discharge current, the temperature, and therefore, the conductivity, rises significantly more than from the previous factors, by supercompression of the arc plasma by the pinch effect. Under the action of ring lines of force perpendicular to the axis of the discharge, intrinsic magnetic field, at a high discharge current, the arc plasma is supercompressed into a cord - the pinch effect (the pinch effect is also possible under the influence of an external magnetic field). For example, the pressure on the surface of the discharge channel with a radius of 0.2 m and a current of 10 ⁶ A is 4 · 10 ¹⁶ pascals, or 4 · 10 ¹¹ atmospheres (Troitsky O. A. “Lightnings - weapons of the gods.” M .: Informelectro, 1998) . Thus, even at currents 3-4 orders of magnitude smaller, conditions are created for the complete and deep, up to atoms, dissociation of gas molecules in the discharge plasma, their large stored potential energy, especially radicals (having energy at a temperature of 60,000 K - 20 eV, many more energy of thermal particles at the same temperature - 5.5 eV, and 0.7 eV at 8000 K); high concentration, per unit volume, of charged particles, providing high, despite the high pressure, conductivity. When the discharge current decreases, the plasma expands at a supersonic speed (at the initial stage, at a speed of the order of 10,000 m / s) (T.U. Asmus, K. Borgnakke, S.K. Clark and others. Fuel efficiency of cars with gasoline engines. M: "Engineering", 1988. Chapter - Spark ignition, the physics of the process and its impact on the operation of the internal combustion engine). Its high-energy charged particles (electrons, ions, radicals) heat, ionize and dissociate gas molecules, which is facilitated by light, ultraviolet, soft X-rays, as well as sound and supersonic shock waves (gas molecules compressed by a shock wave burst - dissociate, falling into the low pressure, behind the front of the shock wave, not withstanding a sharp pressure drop). As the pressure in the plasma decreases, the conductivity increases. These factors slow down the rate of decrease in conductivity with increasing plasma volume during expansion. The volume of the resulting plasma grows not only due to thermal expansion, but also due to the dissociation of gas molecules.

«Падающая» с ростом тока вольтамперная характеристика дугового разряда энергетически выгодна для получения большого объема высокопроводимой плазмы. Так как скорость роста мощности, выделяемой в искровом промежутке, меньше скорости роста тока дугового разряда, причем чем больше ток, тем больше эта разница (нелинейная зависимость падения напряжения горения дуги, или ее сопротивления - роста проводимости см. выше). Например (при давлении воздуха 1 бар, температуре 300 К, искровом промежутке 7 мм по данным макетных испытаний плазмогенератора, см. ниже), при напряжении горения искры около 92 В ток разряда - 16 А, при напряжении 145 В, в 1,6 раза больше, ток разряда 65,2 А, в 4 раза больше; при напряжении 517 В (см. макетные испытания предлагаемого способа) напряжение больше соответственно в 5,6 и 3,6 раза, ток разряда 21560 А соответственно в 1348 и 331 раза больше (нелинейная зависимость). То есть при линейной зависимости (как у проводников первого рода) роста напряжения с увеличением тока (закон Ома) для получения 21560 А потребовалось бы не 517 В, а в 241 раз большее - 124016 В. Следовательно, потребовалась бы 241 раз большая мощность источника тока разряда, а при одинаковой длительности разряда в 241 раз - больший расход энергии. С ростом тока разряда эта нелинейность увеличивается.The volt-ampere characteristic of an arc discharge “falling” with increasing current is energetically favorable for obtaining a large volume of highly conductive plasma. Since the growth rate of the power released in the spark gap is lower than the growth rate of the arc discharge current, and the larger the current, the greater this difference (the nonlinear dependence of the drop in the burning voltage of the arc, or its resistance - increase in conductivity, see above). For example (at an air pressure of 1 bar, a temperature of 300 K, a spark gap of 7 mm according to the model tests of a plasma generator, see below), at a spark burning voltage of about 92 V, the discharge current is 16 A, at a voltage of 145 V, 1.6 times more, discharge current 65.2 A, 4 times more; at a voltage of 517 V (see prototype tests of the proposed method), the voltage is 5.6 and 3.6 times higher, respectively, the discharge current is 21560 A, respectively 1348 and 331 times higher (non-linear dependence). That is, with a linear dependence (like in the conductors of the first kind) of the voltage increase with increasing current (Ohm's law), to obtain 21560 A would not require 517 V, but 241 times more - 124016 V. Therefore, it would require 241 times the power of the current source discharge, and with the same discharge duration 241 times - a greater energy consumption. With increasing discharge current, this nonlinearity increases.

В то же время мощность потерь на внутреннем сопротивлении источника тока и соединительных проводах имеет квадратичную зависимость от тока (закон Джоуля-Ленца). Для получения высокого КПД разряда источник энергии разряда должен иметь внутреннее сопротивление много меньше сопротивления искрового промежутка. По мере увеличения требуемого тока разряда и уменьшения длины искрового промежутка (нелинейно растет проводимость искры) получить малые потери на сопротивлении внешней цепи разрядника и высокий КПД становится труднее - растут линейные размеры источника тока, обеспечивающего самостоятельную проводимость искрового промежутка, и его цена. Например, при получении тока искрового разряда всего в 20000 А обычной катушкой зажигания (КЗ) с сопротивлением высоковольтной обмотки 5000 Ом (стандартное значение) падение напряжения на ней составило бы 100 миллионов вольт, а потери мощности 2,3 тераватта - 2,3·10¹² Вт. Это равно 23% процентам суммарной мощности всех типов электростанций земли в 1990 году и больше мощности всех типов электростанций России в 2005 году. При этом напряжение горения дуги с искровым зазором в 7 мм и данным током согласно макетным испытаниям - 517 В, а мощность, выделяемая в искре, немного больше 1,1·10⁷ Вт, КПД разряда 0,00048%, то есть практически равен 0. Такие параметры разряда невозможно получить обычной КЗ. Ограничены, при малых габаритах, возможности материала сердечника КЗ и коммутационных систем. Увеличение габаритов КЗ (при этом растут вес и стоимость установки) для снижения потерь малоэффективно, учитывая приведенные цифры.At the same time, the power loss on the internal resistance of the current source and the connecting wires has a quadratic dependence on the current (Joule-Lenz law). To obtain a high discharge efficiency, the discharge energy source must have an internal resistance much less than the resistance of the spark gap. As the required discharge current increases and the length of the spark gap decreases (the conductivity of the spark grows nonlinearly), it becomes more difficult to obtain small losses on the resistance of the external circuit of the spark gap and high efficiency - the linear dimensions of the current source providing independent conductivity of the spark gap grow and its price. For example, if a spark discharge current of only 20,000 A was obtained with a conventional ignition coil (KZ) with a high-voltage winding resistance of 5000 Ohms (standard value), the voltage drop across it would be 100 million volts, and the power loss of 2.3 terawatts would be 2.3 · 10 ¹² watts This is 23% of the total capacity of all types of power plants in 1990 and more than the power of all types of power plants in Russia in 2005. In this case, the burning voltage of the arc with a spark gap of 7 mm and this current according to prototype tests is 517 V, and the power released in the spark is slightly more than 1.1 · 10 ⁷ W, the discharge efficiency is 0,00048%, that is, almost equal to 0 . Such discharge parameters cannot be obtained by conventional short circuit. Limited, with small dimensions, the capabilities of the short-circuit core material and switching systems. An increase in short circuit dimensions (the weight and cost of the installation increase) to reduce losses is ineffective, given the figures given.

Использование высокочастотных высоковольтных трансформаторных преобразователей с малым числом витков обмоток (следовательно, их относительно меньшим сопротивлением) при больших энергиях и мощностях разрядов ограничено возможностями коммутационных устройств по току, рабочему напряжению, частоте и потерями в них, а также возможностями сердечника трансформатора и потерями в нем.The use of high-frequency high-voltage transformer converters with a small number of turns of the windings (therefore, their relatively lower resistance) at high energies and discharge capacities is limited by the capabilities of switching devices in current, operating voltage, frequency and losses in them, as well as the capabilities of the transformer core and losses in it.

Использование эффекта сверхпроводимости (для устранения потерь на высоковольтной обмотке трансформатора) на современном этапе развития технологически сложно и дорого, ограничено влиянием сильных магнитных полей и больших токов разряда (разрушающих сверхпроводимость). Кроме того, необходимо решить проблему передачи тепла за счет высокой теплопроводности соединительных проводов (малая их длина, большое сечение - требование максимальной проводимости) от горячих контактов разрядников в холодную зону сверхпроводимости.The use of the superconductivity effect (to eliminate losses on the high-voltage winding of the transformer) at the present stage of development is technologically difficult and expensive, limited by the influence of strong magnetic fields and high discharge currents (destroying superconductivity). In addition, it is necessary to solve the problem of heat transfer due to the high thermal conductivity of the connecting wires (their small length, large cross section is the requirement of maximum conductivity) from the hot contacts of the arresters into the cold superconductivity zone.

Снизить сопротивление внешней цепи искрового промежутка возможно при использовании емкостного высоковольтного источника тока (имеющего малое внутреннее сопротивление стеканию зарядов) с пробивным напряжением заряда. Возможны два варианта.It is possible to reduce the resistance of the external circuit of the spark gap by using a capacitive high-voltage current source (having a small internal resistance to charge draining) with a breakdown charge voltage. Two options are possible.

Первый вариант. Повышая напряжение горения искры, путем увеличения длины искрового промежутка, увеличивают сопротивление искрового разряда и его индуктивность, что позволяет повысить мощность, выделяемую в искровом разряде, не за счет увеличения тока разряда, а увеличением падения напряжения на искровом промежутке. Кроме того, сверхбольшое пробивное напряжение позволяет получать очень большую энергию разряда при малой емкости высоковольтного конденсатораFirst option. By increasing the burning voltage of the spark, by increasing the length of the spark gap, the resistance of the spark discharge and its inductance are increased, which makes it possible to increase the power released in the spark discharge, not by increasing the discharge current, but by increasing the voltage drop across the spark gap. In addition, the extra-large breakdown voltage makes it possible to obtain a very large discharge energy with a small capacitance of a high-voltage capacitor

и высокой скорости падения напряжения. Это уменьшает максимальный ток разряда (меньше проводимость искры, тем более при ее большой длине и индуктивности, практически нулевом влиянии термоэлектронной эмиссии), проще получить высокий КПД разряда, но требует очень большого напряжения заряда высоковольтного конденсатора для пробоя искрового промежутка. Данный способ требует наличия сверхвысоковольтных конденсатора (источника энергии разряда) и резонансного трансформатора, их очень больших размеров и стоимости. По расчетам Н.Теслы, для получения напряжения в сто миллионов вольт потребуется «терминал в 90 футов» (27,45 м), а для получения «антенных» токов в 2000-4000 А - «терминал в 30 футов» (9,15 м). Кроме того, энергия разряда выделяется на большой длине искрового зазора, десятки метров, что вызывает трудности в ее использовании. Современные устройства позволяют получать напряжение не более трех миллионов вольт. Установки имеют сверхвысокие напряжения при относительно небольших (тысячи ампер) токах разряда. Для передачи электроэнергии на большие расстояния выгодны высокие напряжения и относительно малые значения тока - малые потери. При использовании электроэнергии, наоборот, выгодны относительно низкие напряжения и большие значения токов.and high voltage drop rate. This reduces the maximum discharge current (less conductivity of the spark, especially with its long length and inductance, almost zero influence of thermionic emission), it is easier to obtain a high discharge efficiency, but it requires a very large charge voltage of the high-voltage capacitor for breakdown of the spark gap. This method requires the presence of an ultra-high voltage capacitor (discharge energy source) and a resonant transformer, their very large size and cost. According to N. Tesla’s calculations, to obtain a voltage of one hundred million volts, a “terminal of 90 feet” (27.45 m) is required, and to obtain “antenna” currents of 2000-4000 A, a “terminal of 30 feet” (9.15 m). In addition, the discharge energy is released over a large length of the spark gap, tens of meters, which causes difficulties in its use. Modern devices allow you to get a voltage of not more than three million volts. The plants have ultrahigh voltages at relatively small (thousands of amperes) discharge currents. High voltage and relatively small current values — low losses — are beneficial for transmitting electricity over long distances. When using electricity, on the contrary, relatively low voltages and high currents are beneficial.

Второй вариант. При малых длинах искрового разряда (например, 10-20 мм) значительно уменьшаются индуктивность и сопротивление дуги, увеличивается влияние термоэлектронной эмиссии. Увеличение емкости высоковольтного конденсатора для компенсации уменьшения энергии разряда из-за снижения пробивного напряжения приведет, учитывая нелинейный рост проводимости искры с ростом тока, к значительному увеличению величины максимально возможного тока разряда. При напряжениях, соизмеримых с напряжением пробоя (на воздухе, при давлении 1 бар и температуре 300 К, примерно 3000 В/мм), в зависимости от запасенной энергии разрядного конденсатора, ток может иметь очень большое значение, что требует значительного уменьшения сопротивления стеканию электрических зарядов в высоковольтном конденсаторе и сопротивления соединительных проводов - увеличение габаритов, веса и стоимости установки, значительно труднее получить токи разряда, соизмеримые с максимально возможным, высокий КПД, и малые потери на внутреннем сопротивлении источника тока. Например, при снижении пробивного напряжения с 10⁸ В до 21000 В (при 7 мм искрового зазора; сравнить с напряжением горения искры при токе разряда 21560 А в 517 В - в 41 раз меньше, см. выше, то есть максимально возможный ток разряда может быть очень большим) снижение в 4762 раза, потребуется увеличение высоковольтной емкости, для сохранения энергии разряда, в 2,3·10⁷ раз. Произойдет увеличение тока разряда, значительно большее, чем в 4762 раз, учитывая нелинейный рост проводимости при увеличении тока. Параметры плазмы (температура, объем и проводимость) за счет большего тока будут значительно выше, при одинаковых энергиях и КПД разрядов, чем в первом способе. Однако для получения КПД разряда, одинакового с первым способом, потребуется значительное увеличение габаритов (стоимости) высоковольтного конденсатора и соединительных проводов. Это необходимо из-за нелинейного роста проводимости дуги, потерь на сопротивлении внешней цепи в связи с увеличением тока (см. выше), а также увеличения средней длины стекания зарядов в конденсаторе из-за увеличения площади его пластин (при увеличении емкости). Электроразряды высоковольтного конденсатора с малой длиной искрового промежутка и малым сопротивлением высоковольтной цепи характеризуются очень большими значениями токов при относительно малой величине пробивного напряжения. С увеличением разрядного тока растет диаметр канала дугового разряда (примерно 2,5 см при 20000 А; 20 см при 500000 А (Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1988), и, следовательно, необходимо иметь площадь контактов разрядников не меньше, что не всегда возможно (например, в системах зажигания автомобиля). Уменьшение площади контактов разрядника с помощью электроизоляции уменьшает разрядный ток, но ухудшает их тепловой режим, ограничено термостойкостью электроизоляционных материалов. Применение дополнительной индуктивности в цепи разрядника уменьшает разрядный ток, но увеличивает сопротивление высоковольтной цепи и потери энергии на нем, понижается КПД, увеличиваются габариты и стоимость установки.The second option. At small spark discharge lengths (for example, 10–20 mm), the inductance and resistance of the arc decrease significantly, and the effect of thermionic emission increases. An increase in the capacitance of a high-voltage capacitor to compensate for a decrease in the discharge energy due to a decrease in the breakdown voltage will, given the nonlinear increase in spark conductivity with increasing current, lead to a significant increase in the maximum possible discharge current. At voltages commensurate with the breakdown voltage (in air, at a pressure of 1 bar and a temperature of 300 K, approximately 3000 V / mm), depending on the stored energy of the discharge capacitor, the current can have a very large value, which requires a significant decrease in the resistance to runoff of electric charges in a high-voltage capacitor and resistance of the connecting wires - an increase in the dimensions, weight and cost of installation, it is much more difficult to obtain discharge currents commensurate with the maximum possible, high efficiency, and small losses on the inside low resistance of the current source. For example, if the breakdown voltage is reduced from 10 ⁸ V to 21000 V (at 7 mm spark gap; compare with the burning voltage of the spark at a discharge current of 21560 A at 517 V - 41 times less, see above, that is, the maximum possible discharge current may be very large) a decrease of 4762 times, an increase in the high-voltage capacitance is required to save the discharge energy by 2.3 · 10 ⁷ times. The discharge current will increase significantly more than 4762 times, given the nonlinear increase in conductivity with increasing current. The plasma parameters (temperature, volume, and conductivity) due to the larger current will be much higher at the same energy and discharge efficiency than in the first method. However, to obtain the discharge efficiency, which is the same with the first method, a significant increase in the dimensions (cost) of the high-voltage capacitor and connecting wires will be required. This is necessary because of the nonlinear increase in arc conductivity, losses on the external circuit resistance due to an increase in current (see above), as well as an increase in the average length of the flow of charges in the capacitor due to an increase in the area of its plates (with an increase in capacitance). Electric discharges of a high-voltage capacitor with a small spark gap and a low resistance of the high-voltage circuit are characterized by very large currents at a relatively small breakdown voltage. With an increase in the discharge current, the diameter of the arc discharge channel increases (approximately 2.5 cm at 20,000 A; 20 cm at 500,000 A (Koshkin N.I., Shirkevich M.G. Handbook of elementary physics. M.: Science. Ed. Phys.-Math. Lit., 1988), and therefore, it is necessary to have a contact area of dischargers no less, which is not always possible (for example, in automobile ignition systems). Reducing the contact area of a spark gap using electrical insulation reduces the discharge current, but worsens them thermal conditions, limited by heat resistance of electrical insulating materials. The additional inductance in the arrester circuit reduces the discharge current, but increases the resistance of the high-voltage circuit and the energy loss on it, the efficiency decreases, the dimensions and installation cost increase.

Оба способа имеют потери в резонансном высоковольтном колебательном контуре, при накоплении энергии, трудности с синхронизацией момента пробоя искрового промежутка с требуемым моментом времени, что необходимо во многих технологиях (например, в системах зажигания двигателей), высокие напряжения создают проблемы с обслуживанием и эксплуатацией столь мощных высоковольтных устройств.Both methods have losses in the resonant high-voltage oscillatory circuit, during energy storage, difficulties in synchronizing the breakdown time of the spark gap with the required time, which is necessary in many technologies (for example, in engine ignition systems), high voltages create problems with the maintenance and operation of such powerful high voltage devices.

При напряжении заряда емкости меньше пробивного (особенно при напряжении ниже напряжения тлеющего разряда для данного искрового промежутка) уменьшается возможный максимальный ток разряда (см. выше). Следовательно, легче получить, даже при больших энергиях разряда, малых габаритах и стоимости установки, малые потери энергии на сопротивлении внешней цепи разрядника и большой КПД разряда. Для снижения пробивного напряжения применяют устройства, обеспечивающие несамостоятельную проводимость газа в искровом промежутке. Удельная проводимость искры пропорциональна ее температуре в степени 3/2, плюс ее увеличение за счет термоэлектронной эмиссии. Температура тлеющего искрового разряда 10000 К. Таким образом, устройство, создающее несамостоятельную проводимость, для источников тока с напряжением ниже напряжения горения тлеющего разряда должно обладать большим ионизирующим воздействием, чем тлеющий разряд (то есть несамостоятельная проводимость должна быть больше проводимости тлеющего разряда, причем чем ниже напряжение источника тока разряда, тем больше). Однако получение плазмы с высокой проводимостью и большого объема, достаточного для перекрытия искрового промежутка, с помощью ионизирующего излучения, например ультрафиолетового, рентгеновского, радиационного, лазерного, нагревания газа, подачи электронных пучков и т.п., - сложная задача, так как данные способы имеют относительно низкий КПД.When the charge voltage of the capacitance is less than the breakdown voltage (especially when the voltage is lower than the glow discharge voltage for a given spark gap), the possible maximum discharge current decreases (see above). Therefore, it is easier to obtain, even at high discharge energies, small dimensions and installation costs, small energy losses on the resistance of the external circuit of the spark gap and a large discharge efficiency. To reduce the breakdown voltage, devices are used that provide non-independent gas conductivity in the spark gap. The specific conductivity of the spark is proportional to its temperature to the degree of 3/2, plus its increase due to thermionic emission. The temperature of a glow spark discharge is 10,000 K. Thus, a device that creates non-self-conductivity for current sources with a voltage lower than the glow voltage of a glow discharge must have a greater ionizing effect than a glow discharge (that is, non-self-conductivity must be greater than the conductivity of a glow discharge, and lower voltage of the discharge current source, the more). However, obtaining a plasma with high conductivity and a large volume sufficient to close the spark gap using ionizing radiation, such as ultraviolet, X-ray, radiation, laser, gas heating, electron beam supply, etc., is a difficult task, since these methods have a relatively low efficiency.

Для получения мощных разрядов (например, в рельсотронах - электродинамических укорителях не токопроводящих масс) используют шунтирование искрового промежутка тонкой металлической проволокой или пленкой. При быстрой подаче напряжения металл испаряется, пары металла обеспечивают высокую несамостоятельную проводимость искрового промежутка, достаточную для возникновения мощного дугового разряда, при относительно низком напряжении источника тока разряда. Используют подачу в искровой промежуток паров металлов (например, ртути или паров жидкого олова, получаемых испарением металла - абляцией, воздействием лазера) для повышения несамостоятельной проводимости. Данные способы дороги и неудобны с технологической точки зрения.To obtain powerful discharges (for example, in railguns - electrodynamic accelerators of non-conductive masses), the spark gap is shunted with a thin metal wire or film. When the voltage is applied quickly, the metal evaporates, the metal vapor provides a high non-self-conductivity of the spark gap, sufficient for the occurrence of a powerful arc discharge, at a relatively low voltage of the discharge current source. They use the supply of metal vapors (for example, mercury or liquid tin vapors obtained by metal evaporation - ablation, laser exposure) into the spark gap to increase non-self-conductivity. These methods are expensive and inconvenient from a technological point of view.

По материалам макетных испытаний плазмогенератора. Удельные затраты энергии по выработке единицы объема плазмы - произведение среднего тока искрового разряда (пропорционален площади сечения искры) на длину искры, на время разряда, деленное на энергию, подведенную к преобразователю, меньше, чем у высокоэффективной итальянской катушки зажигания «Фасет» с максимальным током тлеющего разряда Iмах - 80 мА, подведенной энергией Е - 0,196 Дж, КПД - 61,7% и сопротивлением высоковольтной обмотки R - 5250 Ом. Удельные затраты энергии у плазмогенератора с сопротивлением высоковольтной обмотки R - 0,8 Ом меньше. При напряжении заряда емкости 94 мкФ - 104,7 В (напряжение горения искры - 92 В, с учетом падения напряжения на высоковольтной обмотке), подведенной энергии Е - 0,293 Дж, КПД - 88%, максимальный ток разряда Iмах - 16 А, в 36,7 раза меньше (при напряжении заряда 197 В напряжение горения искры - 145 В, при меньшей длительности разряда Imax - 65,2 А). При напряжении заряда емкости 5 мкФ - 612 В, Е - 0,936 Дж, КПД - 47%, Iмах - 171,4 А, в 18,8 раза меньше. При том же напряжении заряда емкости 1100 мкФ, Е - 197 Дж, КПД - 35,5%, Iмах - 411.6 А, в 8,9 раза меньше. Увеличение затрат энергии по выработке единицы объема плазмы с ростом тока разряда связано с увеличением потерь энергии в высоковольтной цепи плазмогенератора.Based on materials of prototype plasma generator tests. The specific energy consumption for generating a unit of plasma volume is the product of the average current of the spark discharge (proportional to the cross-sectional area of the spark) by the length of the spark, by the time of the discharge divided by the energy supplied to the converter, less than that of the Faset high-performance Italian ignition coil with maximum current glow discharge Imax - 80 mA, energy E supplied - 0.196 J, efficiency - 61.7% and high-voltage winding resistance R - 5250 Ohms. The specific energy consumption of a plasma generator with a high-voltage winding resistance R is 0.8 Ohms less. With a capacitance charge voltage of 94 μF - 104.7 V (spark burning voltage - 92 V, taking into account the voltage drop across the high-voltage winding), supplied energy E - 0.293 J, efficiency - 88%, maximum discharge current Imax - 16 A, 36 , 7 times less (at a charge voltage of 197 V, the burning voltage of the spark is 145 V, with a shorter discharge duration Imax - 65.2 A). With a charge voltage of 5 μF, 612 V, E - 0.936 J, efficiency - 47%, Imax - 171.4 A, 18.8 times less. At the same charge voltage of the capacitance 1100 μF, E - 197 J, efficiency - 35.5%, Imax - 411.6 A, 8.9 times less. The increase in energy consumption for the production of a unit volume of the plasma with increasing discharge current is associated with an increase in energy losses in the high-voltage circuit of the plasma generator.

Визуально, по видеосъемке, объем полученной плазмы значительно (на два порядка и более) превосходит расчетный. Данный расчет не учитывает нелинейное, с ростом тока, увеличение эффективности преобразования электроэнергии в энергию плазмы за счет пинч-эффекта, усиления влияния термоэлектронной эмиссии и т.д. (см. выше). При пробое бумаги высоковольтным импульсом с Iмах - 411,6 А с энергией, выделяемой в искре порядка 76,5 Дж, диаметр отверстия в бумаге (примерно равный максимальному диаметру канала дуги) достигал 3,5 мм. Градиент давления в канале дуги по толщине бумаги таков, что при расширении канала (при снижении тока разряда) происходит ее расслоение надвое (диаметр пятна расслоения, при указанных параметрах, до 3,5 см), что доказывает большое значение давления в канале дуги. По формуле (Ф.1)

, где I - ток разряда, R - радиус шнура искрового разряда, ρ - среднее давление плазмы в шнуре (канале), при указанных параметрах разряда, более 897 атмосфер. Однако, чтобы получить с высоким КПД на искровом промежутке 5-20 мм разрядные токи в десятки-сотни тысяч ампер, потребуется значительное увеличение сечения провода высоковольтной обмотки трансформатора для снижения ее сопротивления, что повысит габариты и стоимость устройства. Кроме того, устройство, как и все трансформаторные высоковольтные преобразователи, имеет повышенную индуктивность, что увеличивает время разряда, уменьшает скорость роста тока и ограничивает его максимальную величину.Visually, by video shooting, the volume of the obtained plasma significantly (by two orders of magnitude or more) exceeds the calculated one. This calculation does not take into account the non-linear, with increasing current, increase in the efficiency of converting electricity to plasma energy due to the pinch effect, enhancing the effect of thermionic emission, etc. (see above). When the paper was broken by a high-voltage pulse with Imax - 411.6 A with an energy released in the spark of about 76.5 J, the diameter of the hole in the paper (approximately equal to the maximum diameter of the arc channel) reached 3.5 mm. The pressure gradient in the arc channel over the paper thickness is such that when the channel expands (with a decrease in the discharge current), it is stratified in two (the diameter of the stratification spot, with the indicated parameters, up to 3.5 cm), which proves the great value of the pressure in the arc channel. According to the formula (F.1)

, where I is the discharge current, R is the radius of the spark discharge cord, ρ is the average plasma pressure in the cord (channel), with the indicated discharge parameters, more than 897 atmospheres. However, in order to obtain discharge currents of tens to hundreds of thousands of amperes with a high efficiency on the spark gap of 5-20 mm, a significant increase in the cross section of the wire of the high-voltage winding of the transformer will be required to reduce its resistance, which will increase the dimensions and cost of the device. In addition, the device, like all transformer high-voltage converters, has a high inductance, which increases the discharge time, reduces the current growth rate and limits its maximum value.

Технический результат применения предлагаемого способа.The technical result of the application of the proposed method.

Создание простых, малогабаритных и дешевых устройств, позволяющих, в относительно малом объеме газа и небольшой длине искровых промежутков, с малыми удельными затратами энергии и потерями, с высоким КПД дугового разряда, преобразовывать практически любое количество электроэнергии в энергию плазмы с высокими удельной проводимостью и температурой, током и мощностью разряда. Эффективность устройств ограничена только величиной суммарной электроэнергии источников тока (конденсаторов), их внутренним сопротивлением, сопротивлением соединительных проводов и разрядников. То есть сам принцип преобразования, основанный на данном способе, ограничений не имеет.The creation of simple, small-sized and cheap devices that allow, in a relatively small volume of gas and a small length of spark gaps, with low specific energy costs and losses, with high arc discharge efficiency, to convert almost any amount of electricity into plasma energy with high specific conductivity and temperature, current and discharge power. The efficiency of the devices is limited only by the value of the total electric power of current sources (capacitors), their internal resistance, the resistance of the connecting wires and arresters. That is, the conversion principle itself, based on this method, has no limitations.

Выше отмечалось, что тлеющий разряд за счет высокой температуры (до 10000 градусов) имеет большую удельную проводимость, однако эта температура и высокая удельная проводимость сосредоточены, в основном (особенно на начальном этапе), в канале с диаметром, примерно равным диаметру катодного пятна - 40 мкм. Таким образом, из-за малого сечения плазменного канала проводимость тлеющего разряда невелика. В то же время плазма, получаемая в плазмогенераторе, за счет большого объема может иметь большую площадь сечения и замыкает своей проводимостью контакты разрядника на большой площади (см. фиг.4, где диаметр провода разрядника 4,5 мм; контакт разрядника может иметь решетчатую конструкцию для снижения гидравлического сопротивления). Это позволяет, даже при меньшей средней удельной проводимости, получать проводимость большую, чем у тлеющего разряда, обеспечивая дуговые разряды источника тока, подключенного к разряднику, и имеющему напряжение ниже пробивного, вплоть до напряжения ниже напряжения тлеющего разряда.It was noted above that a glow discharge due to a high temperature (up to 10,000 degrees) has a high conductivity, however, this temperature and high conductivity are concentrated mainly (especially at the initial stage) in a channel with a diameter approximately equal to the diameter of the cathode spot — 40 microns. Thus, due to the small cross section of the plasma channel, the conductivity of the glow discharge is small. At the same time, the plasma obtained in the plasma generator, due to the large volume, can have a large cross-sectional area and closes its conductivity with the contacts of the arrester over a large area (see Fig. 4, where the diameter of the arrester wire is 4.5 mm; the contact of the arrester can have a lattice design to reduce hydraulic resistance). This allows, even with a lower average specific conductivity, to obtain a conductivity higher than that of a glow discharge, providing arc discharges of a current source connected to a spark gap and having a voltage below the breakdown voltage, up to a voltage below the glow discharge voltage.

Чем больше длина искрового промежутка дополнительного разрядника, меньше площадь его контактов, ниже напряжение источника тока, подключенного к ним, дальше расположение от источника получения плазмы, обеспечивающей несамостоятельную проводимость, больше давление и ниже температура среды, тем требуется большая сила тока и энергия разряда плазмогенератора для получения большего объема плазмы с большой удельной проводимостью. Для снижения требуемой энергии разряда плазмогенератора целесообразно применять выработку им плазменных струй для замыкания контактов дополнительных разрядников (см. фиг.4). Плазменные струи имеют значительно меньший объем плазмы, чем плазменный шар с радиусом, равным длине струи, и такую же среднюю удельную проводимость, следовательно, требуется меньшая энергия разряда плазмогенератора.The greater the length of the spark gap of the additional spark gap, the smaller the area of its contacts, the lower the voltage of the current source connected to them, the further the location from the source of the plasma providing non-independent conductivity, the greater the pressure and lower the temperature of the medium, the greater the current and discharge energy of the plasma generator for obtaining a larger plasma volume with high conductivity. To reduce the required discharge energy of the plasma generator, it is advisable to use the generation of plasma jets to close the contacts of additional arresters (see figure 4). Plasma jets have a much smaller plasma volume than a plasma ball with a radius equal to the length of the jet, and the same average conductivity, therefore, less discharge energy of the plasma generator is required.

Условие разряда источника тока, подключенного к дополнительному разряднику - достаточная проводимость плазмы, замыкающей контакты разрядника, для возникновения самоподдерживающегося, за счет его внутренней энергии, искрового разряда. Таким образом, неважно, сколько разрядников находится в плазме, вырабатываемой плазмогенератором, подключены ли они к одному или разным источникам тока, в том числе и с разным напряжением, на каком расстоянии и под каким углом друг к другу они расположены. Если выполняется условие достаточности проводимости плазмы для всех разрядников, во всех возникнут разряды.The condition for the discharge of a current source connected to an additional spark gap is the sufficient conductivity of the plasma closing the contacts of the spark gap for self-sustaining spark discharge due to its internal energy. Thus, it does not matter how many spark gaps are in the plasma produced by the plasma generator, whether they are connected to one or different current sources, including those with different voltage, at what distance and at what angle to each other they are located. If the condition of sufficiency of plasma conductivity is satisfied for all arresters, discharges will occur in all.

Вывод. Предлагаемый способ позволяет производить электрические разряды источников тока с малым внутренним сопротивлением, например заряженные конденсаторы, подключенных непосредственно к контактам разрядников, и с напряжением, меньшим пробивного, вплоть до значения, значительно меньшего напряжения горения тлеющего разряда. Напряжение разряда меньше пробивного напряжения ограничивает максимально возможный ток разряда, что облегчает получение разряда с током, близким по величине к максимально возможному (уменьшаются габариты и стоимость установки). Малое сопротивление внешней цепи разрядника значительно меньше, чем у плазмогенератора, в связи с непосредственным подключением источника тока к разряднику, снижает потери энергии во внешней цепи разрядника, позволяет получить высокий КПД, даже при очень больших токах разряда. Большой ток разряда обеспечивает получение большого объема плазмы с высокой температурой и удельной проводимостью, которую также можно использовать для создания условий разряда в других разрядниках, расположенных на пути распространения плазмы. Нелинейно «падающая» вольтамперная характеристика дугового разряда обеспечивает нелинейно меньший, чем рост тока, рост затрат энергии, выделяемой в искровом зазоре и обеспечивающей этот рост тока. Таким образом, при увеличении тока разряда и сохранении высокого КПД разряда снижаются удельные затраты энергии по выработке единицы объема получаемой плазмы (см. выше).Output. The proposed method allows for the production of electric discharges of current sources with low internal resistance, for example, charged capacitors connected directly to the contacts of the arresters, and with a voltage lower than breakdown, up to a value significantly lower than the burning voltage of a glow discharge. The discharge voltage less than the breakdown voltage limits the maximum possible discharge current, which makes it easier to obtain a discharge with a current close to the maximum possible value (dimensions and installation cost are reduced). The low resistance of the external circuit of the arrester is much smaller than that of the plasma generator, due to the direct connection of the current source to the arrester, it reduces the energy loss in the external circuit of the arrester, and allows to obtain high efficiency, even at very high discharge currents. A large discharge current provides a large plasma volume with a high temperature and conductivity, which can also be used to create discharge conditions in other dischargers located along the plasma propagation path. The nonlinearly “falling” volt-ampere characteristic of the arc discharge provides a nonlinearly smaller increase in the energy expenditures allocated in the spark gap than the current increase and ensures this current increase. Thus, with an increase in the discharge current and maintaining a high discharge efficiency, the specific energy consumption for the generation of a unit volume of the resulting plasma decreases (see above).

Результаты макетных испытаний.The results of prototype tests.

На фиг.1 изображена электрическая схема действующего макета, реализующего данный способ. В макете в качестве источника энергии заряда накопительного конденсатора С3 емкостью 0,35 мкФ, заряжаемого через резистор R1 - 100 кОм, использован удвоитель переменного напряжения (для упрощения нет высоковольтного трансформаторного преобразователя) на 220 В - диоды VD1 и VD2, конденсаторы С1 и С2 по 10 мкФ, подключаемый к сети переменного тока 220 В переключателем ПР1-1, ПР1-2 (разряды производились как при отключенной сети - одиночные разряды, так и при включенной сети). Выпрямленное удвоенное напряжение от 500 В до 690 В, в зависимости от напряжения сети и параметров используемых конденсаторов. В качестве источника пробивного напряжения использована самодельная катушка зажигания КЗ (много меньше стандартной КЗ), намотанная в один слой (для получения наименьшей собственной емкости, простоты конструкции, отсутствия изоляции между слоями), на кольцевом ферритовом сердечнике К45.0×28.0×12.0 марки 6000НМ, проводом ПЭВ-1 диаметром 0,4 мм (обе обмотки). Первичная обмотка W1 - 1,75 витка, вторичная высоковольтная W2 - 104 витка. Сопротивление W2 - менее 0,8 Ом. Тиристор VD3 - КУ221А: 700 В, 3,2 А, ударный ток до 100 A, di/dt - 1150 А/мкс (при такой малой индуктивности Wl требуется высокая скорость открывания тиристора), du/dt - 500 В. Переключатель ПР2 управляет тиристором, заряжая, через управляющий электрод тиристора, конденсатор С5 - 100 пФ. Резистор R2 - 1 кОм ограничивает токи заряда, разряда С5. Конденсаторы C1, C2 подключены к точкам а и б, суммарной емкостью 5 мкФ (энергия разряда от 0,85 до 1,2 Дж; емкость в данном способе увеличивалась до 15 мкФ, с энергией разряда 3 Дж) последовательно W2 и разряднику Р с искровым промежутком до 12 мм. Конденсатор С4 (в испытаниях до 7588 мкФ) может подключаться к разряднику Pn переключателем ПР4-1, ПР4-2.Figure 1 shows the electrical circuit of the current layout that implements this method. In the breadboard as a source of charge energy of a storage capacitor C3 with a capacity of 0.35 μF, charged through a resistor R1 - 100 kOhm, an AC voltage doubler (for simplicity there is no high-voltage transformer converter) for 220 V is used - diodes VD1 and VD2, capacitors C1 and C2 by 10 microfarads, connected to the 220 V alternating current network with the PR1-1, PR1-2 switch (discharges were performed both when the network was disconnected - single discharges, and when the network was turned on). The rectified double voltage from 500 V to 690 V, depending on the mains voltage and the parameters of the capacitors used. A self-made short-circuit ignition coil (much smaller than the standard short-circuit), wound in one layer (to obtain the smallest intrinsic capacity, simplicity of design, lack of insulation between the layers), on the ring of a ferrite core K45.0 × 28.0 × 12.0, grade 6000NM, was used as a source of breakdown voltage , wire PEV-1 with a diameter of 0.4 mm (both windings). The primary winding W1 - 1.75 turns, the secondary high-voltage W2 - 104 turns. Resistance W2 - less than 0.8 ohms. Thyristor VD3 - KU221A: 700 V, 3.2 A, shock current up to 100 A, di / dt - 1150 A / μs (with such a small inductance Wl requires a high opening speed of the thyristor), du / dt - 500 V. Switch PR2 controls thyristor, charging, through the thyristor control electrode, capacitor C5 - 100 pF. Resistor R2 - 1 kOhm limits the currents of the charge, discharge C5. Capacitors C1, C2 are connected to points a and b, with a total capacitance of 5 μF (discharge energy from 0.85 to 1.2 J; the capacitance in this method increased to 15 μF, with a discharge energy of 3 J) in series W2 and spark gap P with spark gap up to 12 mm. Capacitor C4 (in tests up to 7588 μF) can be connected to the arrester Pn with the switch PR4-1, PR4-2.

Для фиксации результатов испытаний использовалась видеосъемка со штатива в MPEG4 камерой SANIO С4 с частотой 30 кадров в секунду, с последующей раскадровкой изображения. В связи с кратковременностью процесса разряда (менее 1 миллисекунды) и отсутствием высокоскоростной рапидной съемки, чтобы разряд не попадал между кадрами и имелась возможность фиксации максимального объема получаемой плазмы, съемка производилась в темное время суток (выдержка кадра в темноте 33-34 мс). Чувствительность видеосъемки устанавливалась в 400 единиц ISO, а также в автоматическом режиме (200 единиц ISO).To record the test results, we used video recording from a tripod in an MPEG4 SANIO C4 camera with a frequency of 30 frames per second, followed by a picture frame. Due to the short duration of the discharge process (less than 1 millisecond) and the absence of high-speed rapid shooting, so that the discharge does not fall between the frames and there is the possibility of fixing the maximum volume of the resulting plasma, the survey was performed in the dark (exposure time in the dark 33-34 ms). Video sensitivity was set to 400 ISO units, as well as in automatic mode (200 ISO units).

Измерения напряжения, силы тока и длительности единичных разрядов проводились цифровым двулучевым осциллографом HEWLETT PACKARD 54600А. Показания тока и времени разряда снимались с шунта (0,0001 или 0,001 Ом, на схеме фиг.1 не указан), включенном между разрядником Р и точкой б (шунт 0,001 Ом сделан из неэмалированной медной проволоки диаметром 0,95 мм, длина, с которой снимались показания, 41 мм, расчетное сопротивление 0,000908 Ом, для расчетов принято 0,001 Ом).The voltage, current, and unit discharge duration were measured with a HEWLETT PACKARD 54600A digital double-beam oscilloscope. Indications of current and discharge time were taken from a shunt (0.0001 or 0.001 Ohm, not shown in the diagram of Fig. 1) connected between the spark gap P and point b (a shunt of 0.001 Ohm is made of unenameled copper wire with a diameter of 0.95 mm, length, s which readings were taken, 41 mm, the design resistance is 0.000908 Ohms, 0.001 Ohms are accepted for calculations).

Получение разряда конденсатора непосредственно в искровой промежуток, имеющего пробивное напряжение и напряжения тлеющего разряда (более 1300 В - сумма напряженности в положительном столбе примерно 100 В/мм и катодного падения напряжения 220-330 В (А.Г.Ходасевич, Т.И.Ходасевич. Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей. Часть 1. Электронные системы зажигания. М.: Антелком, 2005), много большее напряжения заряда конденсатора, на макете проводилось двумя способами.Obtaining a capacitor discharge directly into the spark gap having breakdown voltage and glow discharge voltage (more than 1300 V - the sum of the voltage in the positive column is about 100 V / mm and the cathode voltage drop is 220-330 V (A.G. Khodasevich, T.I. Khodasevich Handbook for the installation and repair of electronic automobile devices - Part 1: Electronic ignition systems (Moscow: Antelkom, 2005)

Первый способ. Конденсатор С4, см. схему фиг.1, переключателем ПР 4-1, 4-2 подключен к точкам а и б. К плюсовому выводу С4 подключен дополнительный контакт разрядника Pn, расположенный с зазором с минусовым контактом разрядника Р. При этом расстояние до верхнего контакта разрядника Р должно быть больше длины искрового зазора разрядника Р (в испытаниях дополнительный контакт разрядника Pn устанавливался под прямым углом к нижнему контакту разрядника Р - не принципиально), для того, чтобы условия пробоя искрового промежутка между основными контактами разрядника Р были легче, чем с дополнительным контактом разрядника Pn. Если условия возникновения разряда между верхним контактом (по схеме) разрядника Р и контактом Pn легче - меньше искровой промежуток, произойдет только высоковольтный разряд КЗ (высоковольтный трансформатор) без емкостного разряда (эффекта не будет). Если ПР4-1 разомкнут (разные источники энергии плазмогенератора и дополнительного разрядника), то при встречной полярности зарядов C1, C2 и С4, как показано на схеме, уменьшится напряжение емкостного разряда, что снизит эффективность устройства, вплоть до нуля. При последовательной полярности увеличится напряжение емкостного разряда, однако меньшая длина искрового промежутка, большая его возможная проводимость (см. выше), меньшая суммарная емкость и большее ее сопротивление уменьшает эффективность способа. Требование иметь искровой промежуток P-Ph больший искрового промежутка Р (плазмогенератора) подтверждает необходимость получения большого объема плазмы.The first way. The capacitor C4, see the diagram of figure 1, the switch PR 4-1, 4-2 connected to points a and b. An additional contact of the arrester Pn is connected to the positive terminal C4, located with a gap with the negative contact of the arrester P. The distance to the upper contact of the arrester P should be greater than the length of the spark gap of the arrester P (in tests, the additional contact of the arrester Pn was set at right angles to the lower contact of the arrester P - not important), so that the conditions for the breakdown of the spark gap between the main contacts of the spark gap P are easier than with the additional contact of the spark gap Pn. If the conditions for the occurrence of a discharge between the upper contact (according to the circuit) of the spark gap P and the contact Pn are lighter - there is less spark gap, only a high-voltage short-circuit discharge (high-voltage transformer) will occur without capacitive discharge (there will be no effect). If PR4-1 is open (different energy sources of the plasma generator and the additional arrester), then with the opposite polarity of the charges C1, C2 and C4, as shown in the diagram, the capacitive discharge voltage will decrease, which will reduce the efficiency of the device, up to zero. With a sequential polarity, the capacitive discharge voltage will increase, however, a shorter spark gap, a greater possible conductivity (see above), a smaller total capacitance and its greater resistance reduces the efficiency of the method. The requirement to have a spark gap P-Ph larger than the spark gap P (plasma generator) confirms the need to obtain a large plasma volume.

Высоковольтный разряд W2 создает самостоятельную проводимость газа между контактами плазмогенератора - разрядника Р, достаточную для получения мощного дугового разряда С4 через обмотку W2. Получается плазма большого объема (почти шарообразной формы) с высокой проводимостью. Расширяясь, плазма замыкает минусовой (нижний контакт по схеме разрядника Р) и дополнительный плюсовой контакт разрядника Pn на большой площади, и между ними происходит параллельный дуговому разряду в разряднике Р, дополнительный дуговой разряд конденсатора С4. На осциллограмме фиг.2 показано изменение напряжения при разряде на конденсаторе С4 1100 мкФ, при напряжении 620 В (меньше напряжения тлеющего разряда), а на фото осциллограммы фиг.3 - ток разряда, измеренный на шунте 0,0001 Ом (на схеме не показан), при длине искрового зазора разрядника Р 11 мм и длине искрового зазора 7 мм (дополнительного разрядника) между минусовым и плюсовым контактом Pn. В начале, примерно 170 мкс, происходит рост дугового разряда С4 через обмотку W2 и малое сопротивление искрового промежутка Р (от 0 до примерно 475 А). Затем полученной плазмой с высокой проводимостью замыкается минусовой и дополнительный плюсовой контакт Pn, возникает еще один дуговой разряд конденсатора С4. Ток этого разряда ограничен только сопротивлением искрового промежутка, соединительных проводов и внутренним сопротивлением конденсатора, а также скоростью падения напряжения на С4. Максимальный импульсный суммарный ток разряда (возрастает примерно за 1,2 мкс) более 20000 А (на шунте 0,0001 Ом падает более двух вольт). При напряжении С4 после разряда примерно 130 В, общая энергия разряда примерно 202 Дж. Диаметр плазменного шара примерно 34 см. Чем больше длина искрового промежутка в дополнительном разряднике, тем меньше ток и больше время разряда. При резком росте тока в дополнительном разряднике происходит скачкообразное уменьшение напряжения на С4 из-за резкого увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока (фиг.2). Суммарная импульсная мощность разрядов около десяти миллионов ватт. Для сравнения 475 А максимальный ток плазмогенератора, 20000 А, при использовании предлагаемого способа; диаметры плазменных шаров соответственно 24 см и 34 см. Данный способ имеет простую и надежную конструкцию разрядника, повышенную мощность разряда, так как параллельно проходят два разряда в разряднике плазмогенератора Р, а также между его минусовым и дополнительным плюсовым контактом Pn. Недостаток данного способа - относительно большие потери энергии (на сопротивлении обмотки W2) при дуговом разряде в разряднике плазмогенератора Р, что снижает КПД разрядов.A high-voltage discharge W2 creates independent gas conductivity between the contacts of the plasma generator - spark gap P, sufficient to obtain a powerful arc discharge C4 through the winding W2. It turns out a large-volume plasma (almost spherical in shape) with high conductivity. When expanding, the plasma closes the negative (lower contact according to the circuit of the spark gap P) and the additional plus contact of the spark gap Pn over a large area, and between them there is an additional arc discharge of the capacitor C4 parallel to the arc discharge in the spark gap P. The oscillogram of figure 2 shows the change in voltage during a discharge on a C4 capacitor of 1100 μF, at a voltage of 620 V (less than the glow discharge voltage), and the photo of the oscillogram of figure 3 shows the discharge current measured on a shunt of 0.0001 Ohms (not shown in the diagram ), with the length of the spark gap of the spark gap P 11 mm and the length of the spark gap 7 mm (additional spark gap) between the negative and positive contacts Pn. At the beginning, about 170 μs, an increase in the arc discharge C4 occurs through the winding W2 and a small resistance of the spark gap P (from 0 to about 475 A). Then, the minus and additional plus contacts Pn are closed by the obtained high conductivity plasma, and another arc discharge of the capacitor C4 arises. The current of this discharge is limited only by the resistance of the spark gap, the connecting wires and the internal resistance of the capacitor, as well as by the rate of voltage drop across C4. The maximum pulse total discharge current (increases by about 1.2 μs) is more than 20,000 A (more than two volts drop at a shunt of 0.0001 Ohms). At a voltage of C4 after the discharge is approximately 130 V, the total discharge energy is approximately 202 J. The diameter of the plasma ball is approximately 34 cm. The larger the length of the spark gap in the additional spark gap, the smaller the current and the longer the discharge time. With a sharp increase in current in an additional arrester, an abrupt decrease in voltage at C4 occurs due to a sharp increase in the voltage drop at the internal resistance of the current source (Fig. 2). The total pulse power of the discharges is about ten million watts. For comparison, 475 A maximum current of the plasma generator, 20,000 A, using the proposed method; the diameters of the plasma balls are 24 cm and 34 cm, respectively. This method has a simple and reliable discharger design, increased discharge power, since two discharges pass in parallel in the discharger of the plasma generator P, and also between its minus and additional plus contacts Pn. The disadvantage of this method is the relatively large energy loss (on the resistance of the winding W2) during an arc discharge in the spark gap of the plasma generator R, which reduces the efficiency of the discharges.

Второй способ. Устранить данный недостаток можно использованием направленного выброса струй (не менее одной) плазмы из плазмогенератора. Это позволяет уменьшить требуемый объем, получаемой плазмогенератором плазмы, и, следовательно, снизить необходимую энергию для ее получения. С этой целью изготовлен разрядник плазмогенератора Р, заключенный в термоизолированную трубку, с внутренним диаметром примерно 1,5 мм. Один конец трубки герметично соединен с медной пластиной, являющейся нижним, минусовым электродом разрядника Р, причем пластина не закрывает полностью отверстие трубки. Во второе отверстие трубки ввернут винт, являющийся верхним электродом разрядника плазмогенератора. Расстояние между электродами разрядника плазмогенератора Р уменьшено до 4-5 мм (пробивное напряжение осталось 11-12 мм, но условия возникновения разряда дополнительного конденсатора (C1, C2), включенного последовательно W2, за счет нагара и увеличения потерь на охлаждение, из-за наличия стенок, ухудшились). Отверстие разрядника плазмогенератора направлено на дополнительный положительный электрод разрядника Pn. Переключатели ПР3-1, ПР3-2, ПР4-2 замкнуты. ПР4-1 после заряда С4 перед разрядом размыкается. Плазма, полученная при дуговом разряде конденсаторов С1, С2 суммарной емкостью 5-15 мкФ и энергией разрядов соответственно примерно 1 и 3 Дж, имеет объем больший, чем внутренний объем плазмогенератора, расширяясь, истекает в виде струи через отверстие плазмогенератора, достигая дополнительного плюсового контакта разрядника, и своей проводимостью обеспечивает дуговой разряд С4. При энергии разряда плазмогенератора 1 Дж длина плазменной струи до 10 мм, при 3 Дж - до 20 мм (на фото фиг.9 происходит разряд при напряжении С4 всего 130 В и искровом зазоре 15 мм - много меньше напряжения тлеющего разряда). На фото фиг.4 сфотографировано истечение плазмы из плазмогенератора, при энергии разряда 3 Дж и расстоянии между минусовым контактом разрядника Р (выход плазмогенератора) и дополнительным плюсовым контактом Pn примерно 15 мм (С4 не заряжен). Для получения максимальной эффективности необходимо принять меры по снижению тепловых потерь (теплоизолированный корпус, минимальная площадь оголенных контактов плазмогенератора), термостойкости плазмогенератора и очистки его стенок от нагара. Данные проблемы - недостатки второго способа.The second way. This drawback can be eliminated using the directed emission of jets (at least one) of the plasma from the plasma generator. This allows you to reduce the required volume received by the plasma plasma generator, and, therefore, to reduce the necessary energy to obtain it. For this purpose, a spark gap of a plasma generator R is made, enclosed in a thermally insulated tube, with an inner diameter of about 1.5 mm. One end of the tube is hermetically connected to the copper plate, which is the lower negative electrode of the spark gap P, and the plate does not completely cover the tube opening. A screw is screwed into the second hole of the tube, which is the upper electrode of the spark gap of the plasma generator. The distance between the electrodes of the spark gap of the plasma generator R is reduced to 4-5 mm (breakdown voltage remains 11-12 mm, but the conditions for the discharge of an additional capacitor (C1, C2), connected in series W2, due to soot and an increase in cooling losses, due to walls, worsened). The hole of the spark gap of the plasma generator is directed to the additional positive electrode of the spark gap Pn. Switches PR3-1, PR3-2, PR4-2 are closed. PR4-1 after the charge C4 before the discharge opens. The plasma obtained during an arc discharge of capacitors C1, C2 with a total capacity of 5-15 μF and a discharge energy of approximately 1 and 3 J, respectively, has a volume greater than the internal volume of the plasma generator, expanding, expires in the form of a jet through the opening of the plasma generator, reaching an additional positive contact of the spark gap , and its conductivity provides arc discharge C4. At a plasma generator discharge energy of 1 J, the length of the plasma jet is up to 10 mm, at 3 J - up to 20 mm (in the photo of Fig. 9, a discharge occurs at a voltage of C4 of only 130 V and a spark gap of 15 mm — much less than the glow discharge voltage). In the photo of Fig. 4, the plasma outflow from the plasma generator is photographed at a discharge energy of 3 J and the distance between the negative terminal of the spark gap P (plasma generator output) and the additional plus terminal Pn of about 15 mm (C4 is not charged). To obtain maximum efficiency, it is necessary to take measures to reduce heat loss (heat-insulated casing, minimum area of bare contacts of the plasma generator), heat resistance of the plasma generator and cleaning its walls from soot. These problems are the disadvantages of the second method.

На фото фиг.5 сфотографирована осциллограмма изменения тока и напряжения разряда С4 1100 мкФ, 613 В; энергии разряда плазмогенератора 1 Дж; длине искрового зазора дополнительного разрядника Р-Pn (минусовой Р и плюсовой к Pn контакты разрядника) 7 мм. Максимальный ток разряда 21560 А. Максимальная импульсная мощность, выделяемая в искровом промежутке, с учетом потерь на сопротивлении измерительного шунта и соединительных проводов 11146520 ватт (на осциллограмме вольтамперной характеристики фиг.5 показано падение напряжения на С4 560 В, при максимальном токе, без учета падения напряжения на шунте и соединительных проводах разрядника - примерно 43 В; расчетное падение напряжения на контактах разрядника - 517 В). Минимальное значение КПД разряда (при максимальном токе разряда и, следовательно, максимальных потерях во внешней цепи разрядника) более 84%. Напряжение С4 после разряда 137 В. Общая энергия разряда примерно 196 Дж. Основная энергия разряда выделяется примерно за 120 мкс. В результате дугового разряда С4 получается плазменный шар диаметром более 40 см. На осциллограмме видно, что С4 разряжается до примерно 30 В, затем происходит рост напряжения. Данный рост напряжения происходит с замедлением несколько десятков секунд и возрастает, из-за абсорбции, до 130-147 В. Для сравнения, в плазмогенераторе при разряде С4 (только через высоковольтную обмотку КЗ) с такими же значениями емкости, напряжения и энергии разряда, максимальный ток - 411,6 А, время разряда 7560 мкс, КПД -35,5% (ниже, несмотря на многократно меньший ток разряда), диаметр плазменного шара менее 24 см. Таким образом, эффективность предлагаемого способа многократно выше, чем у плазмогенератора. Пинч-эффект при таком токе по Ф.1 (при условии, что плотность тока одинакова, радиус канала разряда примерно 1,26 см), среднее давление в канале дуги более 47501 атмосфер (у плазмогенератора - 897 атмосфер, см. выше). Эффективность данного способа может быть значительно большей из-за отсутствия, в реальных установках, сопротивления измерительного шунта, меньшего сопротивления соединительных проводов за счет их меньшей длины (в макете 1 м, для меньшего искажения формы плазмы за счет отражения плазмы от ближайшей поверхности) и большего сечения (в макете сечение провода 10 мм²). Кроме того, С4 в макете обладает повышенным внутренним сопротивлением, так как собран из большого количества конденсаторов относительно малой емкости, с большим внутренним сопротивлением, не рассчитанных на большие импульсные токи, и имеет большое количество соединительных проводов.In the photo of figure 5, the oscillogram of the change in the current and voltage of the C4 discharge is photographed 1100 μF, 613 V; discharge energy of the plasma generator 1 J; the length of the spark gap of the additional arrester P-Pn (minus P and plus contacts of the arrester to Pn) 7 mm. The maximum discharge current is 21560 A. The maximum pulse power released in the spark gap, taking into account losses on the resistance of the measuring shunt and connecting wires, is 11146520 watts (the oscillogram of the current-voltage characteristic of Fig. 5 shows the voltage drop at C4 560 V, at maximum current, excluding the drop voltage at the shunt and connecting wires of the arrester is approximately 43 V; the calculated voltage drop at the contacts of the arrester is 517 V). The minimum value of the discharge efficiency (at the maximum discharge current and, consequently, the maximum losses in the external circuit of the arrester) is more than 84%. The voltage C4 after the discharge is 137 V. The total discharge energy is about 196 J. The main discharge energy is released in about 120 μs. As a result of the C4 arc discharge, a plasma ball with a diameter of more than 40 cm is obtained. The oscillogram shows that C4 is discharged to about 30 V, then the voltage rises. This voltage increase occurs with a slowdown of several tens of seconds and increases, due to absorption, to 130-147 V. For comparison, in a plasma generator during a C4 discharge (only through a high-voltage short-circuit winding) with the same capacitance, voltage and discharge energy, the maximum the current is 411.6 A, the discharge time is 7560 μs, the efficiency is -35.5% (lower, despite the much lower discharge current), the diameter of the plasma ball is less than 24 cm. Thus, the efficiency of the proposed method is many times higher than that of the plasma generator. The pinch effect at this current according to F.1 (provided that the current density is the same, the radius of the discharge channel is about 1.26 cm), the average pressure in the arc channel is more than 47501 atmospheres (for a plasma generator - 897 atmospheres, see above). The effectiveness of this method can be significantly greater due to the absence, in real installations, of the resistance of the measuring shunt, lower resistance of the connecting wires due to their shorter length (in the layout of 1 m, for less distortion of the shape of the plasma due to reflection of the plasma from the nearest surface) and more cross-section (in the layout, the cross-section of the wire is 10 mm ² ). In addition, C4 in the layout has a high internal resistance, as it is assembled from a large number of capacitors of relatively small capacity, with a large internal resistance, not designed for large pulsed currents, and has a large number of connecting wires.

На фото фиг.6 и 8 (масштаб одинаков, сравнить фиг.7 и фиг.9) сфотографированы максимальные размеры полученной плазмы, полученные при разрядах С4 емкостью 7588 мкФ, с напряжением заряда 500 В, искровым промежутком 15 мм, энергией разряда плазмогенератора 3 Дж. Напряжение С4 после разряда примерно 130 В. Таким образом, общая энергия разряда примерно 884 Дж. Диаметр полученной плазмы, фиг.6, почти шарообразной формы ослепительно белого цвета, около одного метра (минимальный размер 92 см, максимальный 100 см, размер вычислялся сравнением длины коробки с конденсаторами - 30 см, находящейся в кадре и в одной плоскости с контактами разрядника Pn, с размерами плазменного шара). На фото фиг.8 в плазменном шаре с размерами 157 на 100 см я нахожусь по пояс, примерно в 30 см от контактов разрядника. На фото фиг.9 при повторном разряде через 236 миллисекунд (напряжение заряда С4 - 130 В) видно, где я находился в момент разряда. Для получения представления о яркости свечения полученной плазмы использовался светодиодный фонарь (7 светодиодов), находящийся внизу почти на нижней границе плазменного шара фото фиг.9. На фото фиг.8 свечение фонаря не видно. Так как длительность свечения плазменного шара мала, ожога не происходит, несмотря на высокую температуру (ощущается только теплая волна давления). Увеличение размера плазменного шара фиг.8 произошло за счет вытеснения моим телом плазмы. Разряды проходили с оглушительным шумом (приходилось принимать меры по защите барабанных перепонок). В 50 метрах за деревянным домом 6 на 6 метров сработала чувствительная автомобильная сигнализация. При разряде создаются большие давления и силы взаимодействия проводников с током. При искровом зазоре в 15 мм, диаметре электрода с наименьшей площадью 4,5 мм порвалась проволока из мягкого металла диаметром примерно 0,4 мм, связывавшая электроды разрядника. После разряда образуется смесь горючих газов и паров меди, большое количество искр (из-за сильной электроэрозии), виден объем слабо светящегося газа (меньший объема плазмы фиг.6 и повторяющий ее по форме), см. фото фиг.7. Детали, находящиеся вблизи контактов разрядника, покрываются медной пленкой.In the photo of Figs. 6 and 8 (the scale is the same, compare Fig. 7 and Fig. 9), the maximum sizes of the obtained plasma are taken, obtained with C4 discharges with a capacity of 7588 μF, with a charge voltage of 500 V, a spark gap of 15 mm, and a discharge energy of 3 J The voltage C4 after the discharge is approximately 130 V. Thus, the total discharge energy is approximately 884 J. The diameter of the obtained plasma, Fig.6, is almost spherical in dazzling white color, about one meter (minimum size 92 cm, maximum 100 cm, the size was calculated by comparison box lengths with condens tori - 30 cm, located in the frame and in the same plane as the contacts of the arrester Pn, with the size of the plasma sphere). In the photo of Fig. 8, in a plasma ball with dimensions of 157 per 100 cm, I am waist-deep, about 30 cm from the contacts of the spark gap. In the photo of Fig. 9, when the discharge is repeated after 236 milliseconds (charge voltage C4 is 130 V), it is clear where I was at the time of the discharge. To obtain an idea of the brightness of the glow of the obtained plasma, we used an LED lamp (7 LEDs), located at the bottom almost at the lower boundary of the plasma ball photo of Fig. 9. In the photo of Fig. 8, the glow of the lamp is not visible. Since the duration of the glow of the plasma ball is small, a burn does not occur, despite the high temperature (only a warm pressure wave is felt). The increase in the size of the plasma ball of Fig. 8 occurred due to the displacement of the plasma by my body. The discharges passed with a deafening noise (had to take measures to protect the eardrum). A sensitive car alarm went off 50 meters behind a 6 by 6 meter wooden house. During the discharge, large pressures and forces of interaction of the conductors with the current are created. With a spark gap of 15 mm, the diameter of the electrode with the smallest area of 4.5 mm, a wire of soft metal with a diameter of about 0.4 mm broke, which connected the spark gap electrodes. After the discharge, a mixture of combustible gases and copper vapors is formed, a large number of sparks (due to strong electroerosion), a volume of weakly luminous gas is visible (smaller than the plasma volume of Fig. 6 and repeating it in shape), see photo of Fig. 7. Parts near the arrester contacts are coated with a copper film.

Claims

1. The method of converting electricity into plasma energy, which is carried out using the energy of spark discharges by means of a plasma generator including a capacitor - the main source of energy of the plasma generator discharge, connected in series with the high-voltage winding of the step-up transformer with small values of inductance and resistance of the high-voltage winding, up to a value of less than one Ohm, which achieve a decrease in the number of turns of the transformer windings and an increase in the cross section of the wire of the high voltage winding ki; discharge energy of a high-voltage transformer breakdown and short-term high self-conductivity of the spark gap of the plasma generator, which provide an arc discharge of a capacitor having a charge voltage less than breakdown, up to a value of a lower burning voltage of a glow discharge; a capacitor charge voltage lower than the breakdown one provides a limitation of the maximum possible discharge current; by reducing the resistance of the high voltage circuit, they reduce the loss of electricity on the resistance of the high voltage circuit, provide an increase of up to 400 A or more of the capacitor discharge currents; by reducing the resistance of the high-voltage circuit and the maximum possible discharge current increase the efficiency of the discharge; an increase in the discharge current of the capacitor and the energy released in the spark gap increase the volume of plasma with high conductivity; the plasma obtained by the plasma generator is used to obtain non-self-conductivity of the spark gap of additional spark gaps, at least one that is located on the plasma propagation path; a combination of high conductivity and a large plasma volume, sufficient to close the contacts of additional arresters, and over a large area, provide high non-self-conductivity of the spark gap of additional spark gaps and arc discharges of current sources connected to them with a small internal resistance and a voltage lower than the breakdown voltage, up to a value less burning voltage of a glow discharge; the voltage of the current source connected to the additional arrester is less than breakdown, limit the maximum possible discharge current in the additional arrester; direct connection of a current source to the contacts of an additional spark gap reduces resistance and energy loss in the external circuit of the spark gap, increases the discharge current; by reducing the resistance of the external circuit of the spark gap and the maximum possible discharge current, increase the efficiency of the discharge; by increasing the discharge current and the energy released in the spark gap of the additional spark gap, the resulting plasma volume with high specific conductivity is increased.

2. The method according to claim 1, characterized in that the plasma generator creates a plasma conductive jet, at least one, which closes the contacts of additional arresters, thereby reducing the plasma volume per unit length of the spark gap.

3. The method according to claim 1, characterized in that the plasma that is obtained in the additional arrester is used to create arc discharges in other additional arrester that are located on the path of plasma propagation.

4. The method according to claim 1, characterized in that a charged capacitor is used as the current source that is connected to the additional arrester, thereby reducing the resistance of the external circuit of the arrester for the discharge current.

5. The method according to claim 1, characterized in that the same current source is used in the plasma generator and in the additional arresters.

6. The method according to claim 1, characterized in that the plasma generator and the additional arresters use different current sources, including those with different voltages.