1.4 Устройство, принцип действия кмпу с графитовым ускорительным каналом и экспериментальной технологической установки на его основе

Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель выполнен в виде гибридной ускорительной системы на основе классического Z-пинч ускорителя (пинчера), помещенного во внешнюю индукционную систему [1,2], как это видно на рисунках 1.7. В свою очередь, пинчер состоит из 3 основных элементов: центральный электрод, электрод-ствол (ствол) и прочно скрепляющий их корпус. Центральный электрод выполнен составным: в виде металлического хвостовика (1) и тугоплавкого электропроводящего наконечника (2), в данном случае вольфрамового. Ствол ускорителя выполнен из графитового ускорительного канала (4) и обоймы в виде трубы из немагнитного металла (3) для минимизации экранирующего действия с одновременным снижением омического сопротивления ствола и повышением механической прочности конструкции. Между центральным электродом и стволом расположен изолятор (6), изготовленный из стекловолокна с эпоксидным компаундом. В зону канала формирования сильноточной плазменной структуры (КФПС), расположенной у основания ствола, закладывается перемычка из углеродного материала (сажи) (5), являющаяся исходным материалом генерируемой плазменной струи. Масса материала плазменной струи складывается из заложенного в зону КФПС материала, а также эродированного с электродов ускорителя углерода и вольфрама. Собранный пинчер монтируется во внешнюю индукционную систему посредством резьбового соединения. Индуктор внешней индукционной системы представляет собой помещенный в стеклопластиковый корпус соленоид (8’’), прочно стянутый токоведущими шпильками с контактными фланцами (8’, 8’’’). Конструкция ускорительной системы проста в обслуживании и долговечна, не имеет подвижных деталей. Единственным узлом, требующим замены после нескольких выстрелов является ускорительный канал, подверженный элекроэрозионному износу, при этом высокая температура плавления графита позволяет использовать многократно (до 10-15 раз) один ствол.

В целом такая конструкция ускорительной системы позволяет в процессе преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемой массы использовать одновременно принципы кондукционной, индукционной электродинамики, а также электротермические механизмы, что обеспечивает высокий КПД преобразования энергии емкостного накопителя энергии в кинетическую энергию метаемой массы [1].

Основным элементом ускорительной системы является классический Z-пинч ускоритель, со сборки которого начинается подготовка к запуску. При сборке пинчера посредством корпуса вместе соединяются центральный электрод и ствол на резьбовом соединении, после чего в зону КФПС закладывается ультрадисперсный углерод (сажа), обеспечивающий электрическое соединение электродов ускорителя. Собранный пинчер представляет собой единый законченный цельный узел, который помещается во внешнюю индукционную систему также путем резьбового соединения.

После проведения сборки пинчера, его монтажа во внешнюю индукционную систему и закладки ультрадисперсного углерода в зону КФПС в собранном виде коаксиальный ускоритель своим стволом монтируется в герметичный реактор и включается шинами питания в разрядный контур емкостного накопителя энергии, как это видно на рисунке 1.9. Полярность подключения шин питания КМПУ определяет направление силы вдоль продольной оси КМПУ – встречно направлению ускорения плазмы или сонаправленно. В случае элекроэрозионной наработки материала, например при комплектации ускорителя титановым стволом, встречное направление позволяет увеличить электроэрозионный износ поверхности УК и тем самым повысить массовый выход продукта синтеза, но при этом снижается скорость метаемой плазмы в результате ее кинетическая энергия [2]. В данном случае основная масса материала ударно-волновой структуры определяется массой углеродной закладки в зоне КФПС, поэтому для ускорителя с графитовым УК целесообразно только сонаправленное включение, увеличивающее как ресурс ускорительного канала, так и кинетическую энергию струи.

1. Хвостовик центрального электрода, 2. Наконечник центрального электрода, 3. Обойма ствола, 4. Графитовый ствол, 5. Углеродная закоротка, 6. Изолятор центрального электрода. 7. Заглушка, 8. Индуктор (8’, 8’’’ контактные фланцы 8’’-соленоид), 9. Витковая изоляция соленоида. 10. Корпус ускорителя. 11. Сильноточный Z-пинч (11 – плазменный жгут, 11’- фонтанообразная перемычка).

Рисунок 1.7 - Устройство КМПУ с графитовым ускорительным каналом: а) исходное состояние подготовленного к запуску ускорителя, b) рабочий цикл.

В свою очередь, реактор, в котором непосредственно происходит плазмодинамический синтез включает в себя герметичную камеру и систему вентилей с портами подключения вакуумного оборудования: насосы, манометры, баллоны с различными газами, порт связи с атмосферой (рис. 1.8). Камера состоит из отрезка бесшовной трубы, стянутой мощными стальными шпильками между цельнометаллическими крышками – фланцами. Посредством перепускной системы возможна закачка различных газов и создание как разряженной атмосферы от 0,1 атм, так и повышенного давления до нескольких атм. Варьируя состав газовой среды и материала закоротки в зоне КФПС можно влиять на элементный и фазовый состав продукта синтеза. Так при выстреле углеродной плазмы в атмосферу углекислого газа синтезируются алмазоподобные углеродные фазы [3], при добавлении в систему порошкообразного бора в атмосфере азота синтезируется кубический нитрид бора [4], также с использованием КМПУ с титановым ускорительным каналом возможен синтез рутила и анатаза (TiO₂), кубического нитрида титана TiN [5], различных композиций системы Ti-C-N-Сu [6]. При этом в случае установки мишени на пути пламенного потока возможно импульсное нанесение покрытий на плоские металлические поверхности [7].

Заключительными этапами подготовки системы к запуску, непосредственно перед началом работы являются подключение цепей регистрации: трансформатора Роговского, омического делителя напряжения, а также заполнение реактора технически чистым (до 10% кислорода) азотом при давлении 1 атм.

1 – коллектор ЕНЭ, 2 – шины питания КМПУ, 3 – КМПУ, 4 – герметичный реактор, 5 – система перепускных вентилей, 6 – манометр, 7 – порт подключения вакуумного насоса, 8 – порт подключения баллона с азотом, 9 – цепи регистрации тока и напряжения на разряде в рабочем цикле КМПУ

Рисунок 1.8 - Внешний вид смонтированной на шинах питания экспериментальной технологической установки на основе КМПУ.

Запуск системы может осуществляться двумя способами: в режиме ручного управления непосредственно нажатием кнопки «пуск» на генераторе импульсов ГИ-1, а также автоматический пуск от пульта управления высокоскоростной фотоустановки ВФУ-1 для записи динамики истечения сверхзвукового потока электроразрядной плазмы. Кроме того, при использовании ВФУ система комплектуется реактором, имеющим смотровое окно, выполненное из толстого оргстекла.

Итак, в исходном состоянии КМПУ подключен к сборному коллектору емкостного накопителя энергии. Импульсный источник энергии предварительно заданной емкости заряжен до требуемого напряжения U_З. После нажатия кнопки «Пуск» срабатывают игнитронные разрядники и по обозначенному стрелками контуру (рис. 1.7) начинает протекать ток. При достижении определенного значения тока происходит электровзрыв углеродной закоротки 5, материал которой переходит в плазменное состояние и ускоряется в коаксиальной системе в виде удлиняющегося Z-пинча с круговой фонтанообразной перемычкой в условиях магнито-гидродинамического равновесия силой Лоренца, пропорциональной погонной индуктивности ствола и квадрату тока:

,

где L [Гн/м] – погонная индуктивность ствола, i [A] – ток, протекающий через ускоритель, m – масса ускоряемого материла, a - ускорение.

Учитывая, что погонная индуктивность коаксиальной ускорительной системы составляет порядка 10^-6 Гн, ток в разрядном контуре при импульсном питании КМПУ составляет порядка 10⁵ А, то сила Лоренца может составлять порядка от 10³ Н до 10⁴ Н.

Устойчивое состояние сильноточного Z-пинча достигается при равенстве давления в плазменной структуре, обусловленного быстрым (порядка нескольких мкс) повышением температуры до порядка 10⁴ К и с другой стороны магнитного давления тока плазменной перемычки и аксиального поля внешней индукционной системы.

Согласно описанной выше методике поставлен опыт, поясняющий работу ускорительной системы и сути процесса синтеза.

Электропитание ускорителя осуществлялось от емкостного накопителя энергии 12 мФ, заряженного до напряжения 3,0 кВ. Таким образом, энергия, запасаемая в емкостном накопителе составила 54 кДж. Давление в реакторе составило 0,1 атм. В результате плазменного выстрела зарегистрированы осциллограммы тока и напряжения на сильноточном Z-пинче, получена фотограмма истечения потока, как видно на рисунках 1.9, 1.10. По фотограмме строился закон движения фронта головной ударной волны сильноточной плазменной структуры с момента ее выхода из УК. Первая производная этой кривой по времени позволила определить скорость истечения, приблизительно равную 4 км/с. Согласно полученным осциллограммам, напряжение на разряде составило около 1,0 кВ, при токе свыше 120 кА, что обеспечило амплитудное значение мощности до 140 МВА. Таким образом, при длительности импульса 500 мкс в ускорительном канале объемом 19,3 см³ выделилось 33,5 кДж энергии, т.е. плотность энергии в ускорительном канале составила W/V=1,7 кДж/см³. На осциллограмме i(t) виден в начальный момент времени практически мгновенный апериодический рост тока с амплитудой порядка 10 кА, обусловленный активным характером сопротивления углеродной перемычки. При этом на кривой u(t) видно появление коммутационного всплеска напряжения практически до уровня зарядного напряжения источника питания. По истечении 10-20 мкс происходит электровзрыв углеродной закоротки, и разряд переходит в дуговую стадию с ростом тока до амплитудного значения и постепенным спадом до нуля. Напряжение при этом изменяется менее динамично и практически вся кривая, исключая начальные и конечные 40 мкс кривой u(t) укладывается в диапазон от 500 В до 1000 В.

По кадрам фотограммы на рисунке 1.10 видна динамика развития ударно-волновой структуры, с фронта которой происходит распыление материала струи, а также заметен при переходе сверхзвукового течения в дозвуковое скачок уплотнения вблизи поверхности медной мишени, в котором, как видимо, могут достигаться значительные P, t – параметры. Определение которых экспериментально представляется весьма сложной технической задачей.

Рисунок 1.9 - Типичные осциллограммы плазменного выстрела КМПУ: а) осциллограммы u(t) и i(t), б) расчетные кривые мощности и выделения энергии

Время между кадрами ∆t_к = 4.88 мкс. Условия эксперимента: С=1210^-3Ф, U_З=3,0 кВ, d_ук=10 мм, l_ук=246 мм. Давление в реакторе 0,1 атм. 1-ствол, 2-мишень. t₀- момент выхода плазмы из УК, t₁- момент срабатывания искрового отметчика времени.

Рисунок 1.10 - Фотограмма гиперзвуковой плазменной струи истекающей из ускорительного канала КМПУ в свободное пространство