Влияние конфигурации электродной системы коаксиального магнитоплазменного ускорителя на процесс формирования и развития дугового разряда

Abstract

Актуальность исследования обусловлена широким спектром областей применения разнообразных видов генераторов плазмы, в том числе, в составе аналитических устройств, технологических установок и для создания токамаков, ионных и плазменных двигателей, спутников, лазерной техники, а также для нанесения пленок и покрытий на различные поверхности и синтеза микро- и нанопорошков. Цель: определить наилучший способ инициирования дугового разряда в ускорительном канале коаксиального магнитоплазменного ускорителя, оценить влияние конфигурации канала формирования плазменной структуры на электродинамические нагрузки коаксиального магнитоплазменного ускорителя и рассчитать коэффициент полезного действия преобразования накопленной энергии в подведенную. Объекты: коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, инициирование дугового разряда, центральный электрод, электрод-ствол, канал формирования плазменной структуры. Методы: плазмодинамический синтез, измерение и регистрация импульсных токов и напряжений, измерение электроэрозии посредством массы эродируемого электрода-ствола, высокоскоростная фоторегистрация плазменной струи. Результаты. Рассмотрены два способа инициирования дугового разряда с использованием металлических проволочек и графитизации. Установлено, что они не влияют на энергетические параметры процесса плазмодинамического синтеза, однако применение графитизации выглядит предпочтительней в силу большей технологичности процедуры, которая обеспечивает простоту подготовки ускорителя и надежность его работы. Установлена возможность снижения амплитуды тока дугового разряда на 29 % при увеличении длины канала формирования плазменной структуры с 5,5 до 11,5 мм, что обеспечивает уменьшение электродинамических нагрузок на все узлы системы. Экспериментально определена оптимальная длина канала формирования плазменной структуры 9,5 мм, способствующая получению высокого коэффициента полезного действия преобразования накопленной энергии в подведенную и надежности работы системы

The relevance of the research is explained by a wide range of practical areas, where various plasma generators can be used, including analytical devices, technological installations, tokamaks, ion and plasma engines, satellites, laser technology, as well as by the possibility of applying them for both producing coatings on various surfaces and synthesizing fine and nanopowders. The main aim of the research is to determine the best way to initiate an arc discharge in the acceleration channel of the coaxial magnetoplasma accelerator, to estimate the effect of the plasma formation zone configuration on the electrodynamic loads of the accelerator, and to calculate the efficiency of conversion of stored energy to supplied one. Objects: coaxial magnetoplasma accelerator, arc discharge initiation, central electrode, electrode-barrel, plasma formation zone. Methods: experiment, plasma dynamic synthesis, measurement and registration of pulsed currents and voltages, electrical erosion measurement by means of weighing the eroding electrode-bore, high-speed photoregistration of the plasma jet. Results. Two methods of arc discharge initiation using metal wires and graphitization were considered. It is established that they do not affect the energy parameters of the plasma dynamic synthesis, but the graphitization looks preferable due to the greater processability of the procedure that provides easy accelerator preparation and reliability of its operation. The possibility of reducing the arc discharge current amplitude by 29 % with increasing the plasma formation zone length from 5,5 to 11,5 mm was established that results in reducing electrodynamic loads on all system nodes. The optimal plasma formation zone length of 9,5 mm was determined to provide obtaining a high efficiency of conversion of stored energy into supplied energy and reliability of the system operation