RU2711180C1 - Low-temperature magnetoactive plasma formation device in large volumes - Google Patents
Low-temperature magnetoactive plasma formation device in large volumes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2711180C1 RU2711180C1 RU2019111386A RU2019111386A RU2711180C1 RU 2711180 C1 RU2711180 C1 RU 2711180C1 RU 2019111386 A RU2019111386 A RU 2019111386A RU 2019111386 A RU2019111386 A RU 2019111386A RU 2711180 C1 RU2711180 C1 RU 2711180C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- potential source
- cathode
- current
- large volumes
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
Abstract
Description
Изобретение относится к области физики плазмы, газового разряда, сильноточной электроники и т.д., и может быть использовано для генерации магнитоактивной низкотемпературной плазмы в больших объемах в целях проведения научно-исследовательской деятельности.The invention relates to the field of plasma physics, gas discharge, high-current electronics, etc., and can be used to generate magnetically low-temperature plasma in large volumes in order to conduct research activities.
Из предшествующего уровня техники известны устройства [Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М.: Мир, 1991.- 358 с], [Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969, с. 164-169.], использующие дуговой разряд с полым самокалящимся катодом, состоящие из полого катода диаметром ~10 мм из тантала, помещенного в продольное магнитное поле, и цилиндрического медного анода, расположенного на одной оси с катодом. Такие устройства обеспечивают токи разряда ~100 А и, соответственно, высокую концентрацию газоразрядной плазмы.From the prior art devices are known [Forrester A.T. Intense ion beams. M .: Mir, 1991.- 358 s], [Moskalev B.I. Hollow cathode discharge. M .: Energy, 1969, p. 164-169.], Using an arc discharge with a hollow self-heating cathode, consisting of a hollow cathode with a diameter of ~ 10 mm from tantalum placed in a longitudinal magnetic field and a cylindrical copper anode located on the same axis as the cathode. Such devices provide discharge currents of ~ 100 A and, accordingly, a high concentration of gas-discharge plasma.
Недостатком этих устройств является необходимость поддержания высокого давления рабочего газа в полом катоде (~10 Па), что влечет высокую скорость рекомбинации образованной плазмы и, как следствие, резкий спад ее концентрации вдоль оси разрядного промежутка, что говорит о нестабильности параметров.The disadvantage of these devices is the need to maintain a high working gas pressure in the hollow cathode (~ 10 Pa), which entails a high rate of recombination of the formed plasma and, as a consequence, a sharp decrease in its concentration along the axis of the discharge gap, which indicates the instability of the parameters.
Известно устройство для генерации газоразрядной плазмы на лабораторном стенде LAPD [W. Gekelman, Н. Pfister, Z. Lucky, J. Bamber, D. Leneman, J. Maggs. Design, construction, and properties of the large plasma research device. Rev. of Sci. Instrum. 1991, 62 (12), p. 2875.], состоящее из термокатода и сетчатого анода, расположенных в продольном магнитном поле. В этом устройстве в процессе газового разряда на выводах конденсаторной батареи напряжение проседает и потому на различных участках импульса тока разряда его величины заметно различаются. Это приводит к нестабильному горению разряда и, как следствие, к нестабильности параметров образованной плазмы.A device for generating gas discharge plasma at the laboratory bench LAPD [W. Gekelman, N. Pfister, Z. Lucky, J. Bamber, D. Leneman, J. Maggs. Design, construction, and properties of the large plasma research device. Rev. of Sci. Instrum. 1991, 62 (12), p. 2875.], consisting of a thermal cathode and a mesh anode located in a longitudinal magnetic field. In this device, during a gas discharge at the terminals of the capacitor battery, the voltage sags and therefore at different parts of the pulse of the discharge current its values differ markedly. This leads to unstable burning of the discharge and, as a consequence, to instability of the parameters of the formed plasma.
Наиболее близким к заявляемому устройству является генератор плазмы в составе лабораторного стенда LVPD [S. K. Mattoo, V. P. Anitha, L. М. Awasthi, G. Ravi. A large volume plasma device. Rev. Sci. Instrum. 2001, 72 (10), p. 3864.].Closest to the claimed device is a plasma generator in the laboratory bench LVPD [S. K. Mattoo, V. P. Anitha, L. M. Awasthi, G. Ravi. A large volume plasma device. Rev. Sci. Instrum. 2001, 72 (10), p. 3864.].
Известное устройство (прототип) содержит термокатод и сетчатый анод, помещенные в вакуумную камеру, внутри которой посредством внешнего соленоида формируется продольное магнитное поле, замыкающий диод, а также потенциальный источник в виде AC/DC преобразователя, питаемого от электросети, и сильноточный полупроводниковый ключ (коммутатор). При замыкании ключа между катодом и анодом происходит газовый разряд и образованная в результате этого разряда плазма через сетчатый анод практически полностью инжектируется в рабочее пространство лабораторного стенда.The known device (prototype) contains a thermal cathode and a mesh anode placed in a vacuum chamber, inside of which a longitudinal magnetic field is formed by an external solenoid, a short-circuit diode, as well as a potential source in the form of an AC / DC converter powered from the mains, and a high-current semiconductor switch (switch ) When the key is closed between the cathode and the anode, a gas discharge occurs and the plasma formed as a result of this discharge through the mesh anode is almost completely injected into the working space of the laboratory bench.
Недостатком устройства является то, что в процессе газового разряда между «нулевой» точкой AC/DC преобразователя и заземлением вакуумной камеры возникает разность потенциалов, приводящая к появлению заметных токов утечки через корпус вакуумной камеры. Также в процессе газового разряда проводимость плазмы меняется, а напряжение потенциального источника постоянно, поэтому на различных участках разрядного импульса величина тока разряда заметно различается. Вышеперечисленные обстоятельства негативно сказываются на стабильности параметров формируемой плазмы.The disadvantage of this device is that during the gas discharge between the "zero" point of the AC / DC converter and the grounding of the vacuum chamber, a potential difference occurs, which leads to the appearance of noticeable leakage currents through the body of the vacuum chamber. Also, in the process of a gas discharge, the plasma conductivity changes, and the voltage of the potential source is constant, therefore, in different parts of the discharge pulse, the discharge current varies markedly. The above circumstances negatively affect the stability of the parameters of the formed plasma.
Технической проблемой при формировании низкотемпературной магнитоактивной плазмы в больших объемах является необходимость получения плазмы с более стабильными параметрами.A technical problem in the formation of low-temperature magnetoactive plasma in large volumes is the need to obtain plasma with more stable parameters.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение стабильности параметров формируемой плазмы за счет стабилизации тока газового разряда.The technical result of the proposed invention is to increase the stability of the parameters of the generated plasma by stabilizing the gas discharge current.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования низкотемпературной магнитоактивной плазмы в больших объемах, содержащем последовательно соединенные сетчатый анод, сильноточный коммутатор, потенциальный источник и термокатод, причем термокатод и анод помещены в вакуумную камеру, внутри которой, посредством внешнего соленоида, формируется продольное магнитное поле, а также замыкающий разрядный промежуток диод, согласно изобретению потенциальный источник выполнен в виде батареи гальванических элементов, а между потенциальным источником и термокатодом включен дроссель, причем замыкающий диод подключен катодом к участку цепи между дросселем и потенциальным источником.The technical result is achieved in that in a device for forming a low-temperature magnetoactive plasma in large volumes, comprising a grid anode, a high-current switch, a potential source and a thermal cathode, the thermal cathode and anode being placed in a vacuum chamber, inside of which, by means of an external solenoid, a longitudinal magnetic the field, as well as the diode closing the gap, according to the invention, the potential source is made in the form of a battery of galvanic cells, and dy potential source and Thermionic included throttle and closing the diode cathode is connected to a portion of the circuit between the inductor and the potential source.
Использование батареи гальванических элементов обеспечивает гальваническую развязку потенциального источника от паразитных токовых контуров, проходящих через боковые стенки заземленной вакуумной камеры, и тем самым практически полностью исключает неконтролируемую диффузию заряженных частиц поперек магнитного поля на корпус вакуумной камеры, что, в свою очередь, позволяет повысить стабильность параметров формируемой плазмы.The use of a battery of galvanic cells ensures galvanic isolation of the potential source from stray current circuits passing through the side walls of the grounded vacuum chamber, and thereby almost completely eliminates the uncontrolled diffusion of charged particles across the magnetic field onto the body of the vacuum chamber, which, in turn, improves the stability of the parameters formed plasma.
Включение дросселя в участок цепи между потенциальным источником и термокатодом позволяет сглаживать пульсации тока разряда, а также накапливать энергию для работы схемы в режиме импульсного стабилизатора тока, и тем самым позволяет повысить стабильность параметров формируемой устройством плазмы.The inclusion of a choke in the circuit between the potential source and the thermal cathode allows smoothing the ripple of the discharge current, as well as storing energy for the circuit to operate in the mode of a pulsed current stabilizer, and thereby improves the stability of the parameters of the plasma generated by the device.
Диод замыкает при отключениях коммутатора, работающего в импульсно-периодическом режиме, токовый контур с разрядным промежутком и тем самым обеспечивает функционирование схемы импульсного стабилизатора тока и, следовательно, позволяет повысить стабильность параметров генерируемой устройством плазмы.When the switch operates in a pulse-periodic mode, the diode closes the current circuit with a discharge gap and thereby ensures the functioning of the pulse current stabilizer circuit and, therefore, improves the stability of the parameters of the plasma generated by the device.
На Фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, где 1 - сильноточный коммутатор, 2 - батарея гальванических элементов, 3 - дроссель, 4 - газоразрядный промежуток с катодом (к) и сетчатым анодом (а), 5 - диод.In FIG. 1 is a schematic electrical diagram of the device, where 1 is a high-current switch, 2 is a battery of galvanic cells, 3 is a choke, 4 is a gas-discharge gap with a cathode (k) and a mesh anode (a), 5 is a diode.
Устройство для формирования низкотемпературной магнитоактивной плазмы в больших объемах (Фиг. 1) содержит сетчатый анод 4а, имеющий высокую степень прозрачности для электронов, подключенный к схемной «земле» и сильноточном)' коммутатору 1, выполненному на основе полупроводникового IGВТ-модуля. С другой стороны к коммутатору 1 клеммой с отрицательной полярностью подключена батарея гальванических элементов 2, состоящая из последовательной сборки стартерных аккумуляторных батарей. Клемма потенциального источника 2 с положительной полярностью подключена к дросселю 3, другой вывод которого соединен с термокатодом 4к. Анод диода 5 подключен к сетчатому аноду 4а, катод диода 5 подключен к участку цепи между дросселем 3 и потенциальным источником 2. Термокатод 4к и анод 4а размещены в вакуумной камере вдоль ее оси.A device for the formation of low-temperature magnetoactive plasma in large volumes (Fig. 1) contains a mesh anode 4a, having a high degree of transparency for electrons, connected to the circuit ground and high-current) '
Устройство работает следующим образом. При подаче цифрового сигнала управления сильноточный коммутатор 1, изготовленный на основе IРМ IGBT-модуля («Mitsubishi» PM800HSA120), замыкается. Между предварительно нагретым термокатодом 4к и сетчатым анодом 4а разрядного промежутка 4, размещенного в формируемом посредством внешнего соленоида продольном магнитном поле, появляется разность потенциалов потенциального источника 2, состоящего из восьми последовательно соединенных стартерных аккумуляторных батарей («Optima Red Тор», 12 В, 50 А⋅ч). При появлении разности потенциалов в промежутке 4 происходит газовый разряд, сопровождающийся плавным увеличением разрядного тока. Плавность нарастания разрядного тока обеспечивается сглаживающим дросселем 3.The device operates as follows. When a digital control signal is applied, the high-
При достижении предварительно заданной величины разрядного тока сильноточный коммутатор 1 размыкается, потенциальной источник 2 отключается от разрядного промежутка 4, и разрядный ток начинает плавно спадать до также предварительно заданной величины. Плавность спада разрядного тока обеспечивается тем, что при подключении потенциального источника 2 к разрядному промежутку 4 сглаживающий дроссель 3 накапливает энергию магнитного поля, которую отдает в разрядный промежуток 4 при размыкании сильноточного коммутатора 1. Замкнутый токовый путь «дроссель 3 - разрядный промежуток 4» при разомкнутом коммутаторе обеспечивается диодом 5 («Mitsubishi» RM400HA-34S).Upon reaching a predetermined value of the discharge current, the high-
Импульсно-периодический режим включений и отключений сильноточного коммутатора 1 позволяет получать в газоразрядном промежутке 4, размещенном в продольном магнитном поле, стабилизированный ток и, соответственно, магнитоактивную плазму со стабилизированными параметрами. Ширина диапазона стабилизации разрядного тока регулируется временными интервалами между включениями и длительностями включений сильноточного коммутатора 1.The pulse-periodic mode of switching on and off of the high-
Также следует отметить, что выходные параметры потенциального источника 2 в процессе импульсно-периодической работы сильноточного коммутатора 1 практически неизменны. Постоянство этих параметров обеспечивается за счет использования гальванических элементов, имеющих значительно большую электрическую емкость по сравнению с электролитическими конденсаторными батареями.It should also be noted that the output parameters of
В примере конкретного исполнения на предприятии ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» при проведении научных исследований посредством заявляемого устройства многократно формировался столб низкотемпературной магнитоактивной гелиевой плазмы длинной 6 м и объемом ≈1 м3. Плазма нарабатывалась ВаО-термокатодом. Прозрачность сетчатого анода для электронов 95%. Концентрация плазмы в столбе составляла ~1012 см-3 при давлении газа в вакуумной камере 5⋅10-4 Top. Индукция внешнего осевого магнитного поля составляла 95 мТл. Величина стабилизированного тока в разрядном промежутке составляла ~200 А.In an example of a specific embodiment, at the enterprise FSUE RFNC-VNIIEF, when conducting research using the inventive device, a column of low-temperature magnetically active helium plasma with a length of 6 m and a volume of ≈1 m 3 was repeatedly formed. Plasma was produced by a BaO thermal cathode. The transparency of the mesh anode for electrons is 95%. The plasma concentration in the column was ~ 10 12 cm –3 at a gas pressure in the vacuum chamber of 5 × 10 –4 Top. The induction of the external axial magnetic field was 95 mT. The stabilized current in the discharge gap was ~ 200 A.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019111386A RU2711180C1 (en) | 2019-04-16 | 2019-04-16 | Low-temperature magnetoactive plasma formation device in large volumes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019111386A RU2711180C1 (en) | 2019-04-16 | 2019-04-16 | Low-temperature magnetoactive plasma formation device in large volumes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2711180C1 true RU2711180C1 (en) | 2020-01-15 |
Family
ID=69171645
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019111386A RU2711180C1 (en) | 2019-04-16 | 2019-04-16 | Low-temperature magnetoactive plasma formation device in large volumes |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2711180C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2737006C1 (en) * | 2020-06-09 | 2020-11-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for generation of electromagnetic disturbances in low-temperature magnetoactive plasma |
RU2746555C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-04-15 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for forming large volumes of low-temperature magnetized plasma |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2116707C1 (en) * | 1997-01-06 | 1998-07-27 | Институт сильноточной электроники СО РАН | Device for generation of low-temperature gas- discharge plasma |
WO2004044941A2 (en) * | 2002-11-05 | 2004-05-27 | The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology | Method and apparatus for stabilizing of the glow plasma discharges |
RU87065U1 (en) * | 2009-04-29 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS |
RU116733U1 (en) * | 2011-11-01 | 2012-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS DISTRIBUTED GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VACUUM VOLUMES OF TECHNOLOGICAL INSTALLATIONS |
-
2019
- 2019-04-16 RU RU2019111386A patent/RU2711180C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2116707C1 (en) * | 1997-01-06 | 1998-07-27 | Институт сильноточной электроники СО РАН | Device for generation of low-temperature gas- discharge plasma |
WO2004044941A2 (en) * | 2002-11-05 | 2004-05-27 | The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology | Method and apparatus for stabilizing of the glow plasma discharges |
RU87065U1 (en) * | 2009-04-29 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS |
RU116733U1 (en) * | 2011-11-01 | 2012-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS DISTRIBUTED GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VACUUM VOLUMES OF TECHNOLOGICAL INSTALLATIONS |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
REV.SCI. INSTRUM., 1991, 62(12), p. 2875. * |
REV.SCI. INSTRUM., 2001, 72(10), p.3864. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2737006C1 (en) * | 2020-06-09 | 2020-11-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for generation of electromagnetic disturbances in low-temperature magnetoactive plasma |
RU2746555C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-04-15 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for forming large volumes of low-temperature magnetized plasma |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR950011848B1 (en) | Ion implantation and surface processing method and apparatus | |
Mesyats et al. | Repetitively pulsed high-current accelerators with transformer charging of forming lines | |
RU2711180C1 (en) | Low-temperature magnetoactive plasma formation device in large volumes | |
Li et al. | Investigation on adjustable magnetic pulse compressor in power supply system | |
Pirc et al. | Nanosecond pulse electroporator with silicon carbide MOSFET s: Development and evaluation | |
Shao et al. | Nanosecond repetitively pulsed discharge of point–plane gaps in air at atmospheric pressure | |
Miao et al. | Conical DC discharge in ambient air using water as an electrode | |
Ngo et al. | The temporal development of hollow cathode discharges | |
CN113285627B (en) | Pulse power supply system and neutron generator | |
Polder | On the phenomenology of ferromagnetic resonance | |
Li et al. | A high-voltage, long-pulse generator based on magnetic pulse compressor and Blumlein-type rolled strip pulse forming line | |
Golden et al. | Magnetic insulation of an intense relativistic electron beam | |
Naudé et al. | Memory effects in Atmospheric Pressure Townsend Discharges in N2 and air | |
RU2746555C1 (en) | Method for forming large volumes of low-temperature magnetized plasma | |
Okabayashi et al. | Measurement of the dc plasma electric resistivity perpendicular to the magnetic surface | |
Drozd et al. | High-voltage gas-discharge current limiter-interrupter using high-density glow discharge | |
SU1275795A1 (en) | Ion gun | |
Efthimion et al. | Ferroelectric plasma source for heavy ion beam space charge neutralization | |
Perkins et al. | Ion source electrode biasing technique for microsecond beam pulse rise times | |
Vasiljev et al. | Recent advances in induction acceleration and postacceleration of high-current beams at Tomsk Nuclear Physics Institute | |
Gao et al. | Numerical study on mechanisms of period-doubling bifurcation in pulsed dielectric barrier discharges at atmospheric pressure | |
Ling et al. | Investigation of novel compact and lightweight C-band transit-time oscillator with low magnetic field | |
Ren et al. | Investigation of an Accelerator Driving Three Microwave Tubes Simultaneously | |
RU2012115C1 (en) | Gas combined-discharge ionizer | |
UA150191U (en) | Pulsed gas-discharge switch device of tacitron type |