ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2008

1. В результате испытаний импульсного генератора на основе линейного трансформатора с вакуумной изоляцией вторичного витка показана возможность использования цилиндрического диода, работающего в режиме магнитной самоизоляции, в качестве эквивалентной нагрузки со стабильным импедансом в единицы Ом при напряжении до 450 кВ. В диоде с радиальными размерами ~ 10 см и межэлектродным зазором ~1.5 см получено стабильное сопротивление на уровне вблизи 3 Ом в течение 200 нс. Анализ результатов показывает, что ток магнитной самоизоляции в диоде определяется предельным током.

Генератор напряжения в виде шести последовательно включенных ступеней LTD с воздушной изоляцией был создан в 2007 г. В 2008 г. выполнены испытания генератора при работе на электронный диод цилиндрической конфигурации. Конструкция диода показана на рис. 1. При использовании электронного диода с соотношением диаметров электродов 200 мм / 168 мм получено стабильное сопротивление диода R_d ~ 3 Ом в течение ~ 200 нс (рис. 3). Ток электронного пучка I₁ нарастает за ~ 115 нс до величины 112 кА. Напряжение на диоде U_d достигает 370 кВ. Мощность пучка 41 ГВт, энергия в пучке 6.9 кДж. Эффективность передачи запасенной энергии в пучок реализована на уровне 75 %. Результаты измерения токов I₁—I₃ на анодном электроде вдоль области эмитирующей поверхности свидетельствуют о работе диода в режиме магнитной самоизоляции.

Рис. 1. Конструкция диода с магнитной самоизоляцией

Рис. 2.

Рис. 3. Зависимости тока цилиндрического диода от напряжения, рассчитанные в приближении предельного тока (сплошные линии) и минимального тока (пунктирные линии). Соотношение диаметров электродов диода: 1 — 200/168, 2 — 200/129. □, ○ — экспериментальные данные для диодов 200/168 и 200/129 соответственно

Анализ экспериментальных данных, полученных для диодов с соотношением диаметров электродов 200/168 и 200/129 показывает, что при напряжениях в диоде 250 — 450 кВ ток магнитной самоизоляции вакуумных линий определяется предельным током (рис. 3).

2. Предложена новая схема для создания компактных мультигигаваттных источников сверхширокополосного (СШП) излучения на основе возбуждения многоэлементной решетки комбинированных антенн от одного генератора через фидерную систему, в которой совмещены функции трансформатора и делителя мощности. Это позволило увеличить число антенн в решетке и соответственно уменьшить ширину диаграммы направленности излучения. С использованием нового подхода создан источник СШП излучения с высокой направленностью и эффективным потенциалом до 3 МВ на основе возбуждения 64-элементной решетки от генератора биполярных импульсов с выходной мощностью более 3 ГВт при частоте повторения до 100 Гц.

Предложена новая схема для создания источников сверхширокополосного излучения мультигигаваттного уровня с высокой направленностью. В ее основе лежит совмещение функций делителя мощности и трансформатора импедансов в одном устройстве. Это позволяет увеличить число антенн в решетке, а соответственно направленность и эффективный потенциал излучения.

Для проверки новой схемы создан СШП источник (рис. 4), который состоит из генератора монополярных импульсов 1, формирователя биполярных импульсов 2, делителя мощности с трансформатором импедансов 3 и 64-элементной решетки комбинированных антенн 4.

В качестве генератора монополярных импульсов в данном источнике использовался генератор высоковольтных импульсов типа СИНУС. Формирователь биполярных импульсов собран по схеме с разомкнутой линией и тремя разрядниками. Выходной биполярный импульс имеет амплитуды напряжения -205 кВ и +157 кВ и длительность примерно 1 нс по уровню 0.1 от амплитуды при частоте следования импульсов 100 Гц. Разброс амплитуды напряжения не превышает 4 %. Выходная пиковая мощность импульса напряжения составляет 3.4 ГВт.

Рис. 4. Внешний вид источника

Решетка состоит из 64 (8×8) антенн, закрепленных на металлической пластине. Апертура решетки составляет 1.41×1.41 м. Ширина диаграммы направленности на половинном уровне пиковой мощности равна 10° в обеих плоскостях. Уровень кроссполяризованного излучения не превышает 0.5%.

Излученный импульс регистрировался осциллографом Tektronix TDS6604 с помощью приемной TEM-антенны, установленной на расстоянии 10.7 м. Эффективный потенциал излучения, равный произведению пиковой напряженности поля на расстояние в дальней зоне, составил 2.8±0.2 МВ.

3. Обнаружена и исследована особая форма нестационарного разряда атмосферного давления в вихревом потоке газа. По своей конструкции газоразрядное устройство сходно с классическим дуговым плазмотроном. Однако, в отличие от плазмотрона, средний ток разряда уменьшен до долей ампера. В таких условиях возникает слаботочный разряд типа тлеющего, на который (в результате спонтанных переходов тлеющего разряда в искровой) накладываются кратковременные сильноточные импульсы с типичной длительностью около 100 нс. Показано, что разряд является эффективным источником для инициирования процесса горения в смесях воздуха с газообразными углеводородами. Создана двухсекционная конструкция горелки, эксперименты с которой позволили прояснить физическую сущность поддержания тока в нестационарном режиме. Проведены эксперименты в смесях пропана (метана) с воздухом и выявлены режимы полного сгорания, а также частичной конверсии метана, в результате чего конечным продуктом на выходе плазмотрона является синтез-газ (смесь окиси углерода с водородом).

Предметом исследований являлось нестационарное поведение газового разряда высокого давления в смесях воздуха с углеводородами применительно к проблемам стабилизации горения и конверсии углеводородов. Исследуемая плазменно-вихревая горелка напоминает по своему устройству классический дуговой плазмотрон. Однако, ее характерная особенность состоит в том, что средний ток разряда ограничен на уровне 0.1 А, а средняя мощность, рассеиваемая в разряде, не превышает 200 Вт. Несмотря на очень малую среднюю мощность, процесс горения инициируется и поддерживается в широком диапазоне соотношений пропан (метан) - воздух.

Ключевым моментом в понимании физических механизмов инициирования и стабилизации горения является выявление роли нестационарных явлений в используемом специфическом типе разряда. Дополнительная информация о нестационарном поведении разряда была получена с использованием электронно-оптической съемки и с применением специально разработанной конструкции двухсекционного плазмотрона.

На рис. 5 показан принцип работы плазмотрона, фотографии факелов на выходе из анодного сопла и двухсекционная конструкция, позволяющая измерять ток разряда на каждую секцию по отдельности. Диаметр выходного сопла плазмотрона составлял 5 мм. Секции плазмотрона А₁ и А₂ электрически разделены между собой. Ток на каждую секцию измеряется с помощью шунтов R_S1 и R_S2. Расстояние между секциями может меняться от нуля (когда секции соединены между собой) до 4 мм. Длина каждой секции 5 мм. Идея экспериментов состояла в том, чтобы выявить долю полного тока разряда, протекающего на каждую секцию в любой момент времени.

Пример результатов измерений совместно с демонстрацией метода наблюдения с помощью CCD камеры представлен на рис. 6. Для удобства интерпретации свечения разряда на фотографии слева показано выходное сопло плазмотрона без разряда. Время экспозиции обозначено как t.

Суть поддержания нестационарного тока в плазмотроне состоит в следующем. Если бы средний ток разряда превышал несколько ампер, то в межэлектродном промежутке могла бы поддерживаться стационарная дуга с контрагированным катодным и анодным пятном. В условиях низкого тока возникает разряд типа тлеющего, характерной чертой которого являются случайные переходы в искровой режим. В процессе такого перехода емкость соединительного кабеля разряжается через промежуток за время около 100 нс, так что на слабый ток тлеющего разряда накладываются случайным образом кратковременные импульсы тока искры. Хотя типичная выделяемая в искре энергия составляет около 0.1 мДж, эта энергия оказывается достаточной, чтобы инициировать процесс горения. Дальнейшее развитие горения эффективно происходит потому, что окружающая среда представляет собой не "холодный газ", а слабоионизованную плазму тлеющего разряда, в которой уже имеются химически активные радикалы.

На рис. 6 видно, что в момент времени t₁ искровой разряд возник на секции А₁, и в данный момент основная доля тока практически полностью перехватывается этой секцией. Однако непосредственно перед моментом t₁ ток протекал как на секцию А₁, так и на секцию А₂. Это еще раз подтверждает факт, что перед искровым пробоем (переходом тлеющего разряда в искру) в промежутке имелся канал разряда типа тлеющего с током около 0.1 А и диаметром около 1 мм и фоновая плазма, заполняющая анодную полость. Возникающий искровой канал дает кратковременный (около 100 нс) всплеск тока на уровне нескольких ампер. Далее плазма искрового канала распадается и разряд вновь переходит в тлеющий.

Рис. 5. Принцип работы нестационарного плазмотрона (а) совместно с фотографиями факела при разряде в воздухе (б) и в смеси пропан-воздух (с). Принцип устройства двухсекционного плазмотрона (г). 1 - катод; 2 - анод; 3 - поток газа; 4 - искровой канал, возникающий при первом пробое; 5 - канал на поздних стадиях разряда

Рис. 6. Метод регистрации свечения разряда с применением CCD камеры (а). Осциллограммы напряжения на разрядном промежутке и токов на секции А₁ и А₂ плазмотрона (б) совместно с фотографиями выходного сопла и свечения разряда (г). V₀ = 3.0 кВ, R_b = 13.6 кОм, C = 300 пФ. Поток газа G (air) = 0.1 г/с (v_gas = 4 м/с)

Фотография на рис. 6 (в) показывает, что место привязки канала тлеющего разряда (анодное пятно) перемещается по поверхности анода под действием потока газа. В момент t₂ канал переходит с секции А₁ на секцию А₂. Движение анодного пятна происходит скачкообразно, что демонстрируется рядом ярких точек на поверхности. Длина столба тлеющего разряда увеличивается во времени, и падение напряжения на столбе возрастает (стадия от момента t₁ до момента t₃). При некотором напряжении на промежутке в момент t₃ вновь наблюдается переход в искру и цикл повторяется.

В целом, описанный разряд имеет довольно сложную структуру, изменяющуюся во времени и в пространстве. Основную часть времени в анодной полости существует канал разряда типа тлеющего и слабо ионизованный факел, заполняющий полость анода и частично выходящий из полости. В некоторые моменты времени возникают случайные переходы разряда в искровой режим. В экспериментах наблюдалось два типа переходов: завершенные переходы к искре и незавершенные. В первом случае в промежутке образуется высокопроводящий искровой канал, и емкость кабеля полностью разряжается через промежуток в колебательном режиме. Во втором случае образуется так называемый диффузный канал, проводимость которого выше проводимости столба тлеющего разряда, но еще не достигла проводимости искры. Здесь разрядка емкости кабеля сопровождается импульсом апериодического тока. Эксперименты показывают, что оба типа каналов способны эффективно инициировать процесс горения в топливно-воздушной смеси.