Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

350

Глава 18. Импульсные генераторы

плазменными прерывателями тока

Следующим важным принципиальным шагом в развитии МППТ была идея Ко-

вальчука и Месяца [10] использовать в качестве индуктивного накопителя вакуум-

ную коаксиальную линию с магнитной самоизоляцией (МИВЛ). В этом случае од-

новременно решались проблемы накопления энергии и ее передачи к нагрузке.

Кроме того радикально улучшались условия конструирования, так как между раз-

мыкающим коммутатором, т.е. ППТ и нагрузкой (электронный диод, ионный диод,

рентгеновский диод и т.д.) не требовалось проходного изолятора.

Схема такого генератора представлена на рис. 7. При замкнутом МППТ в линии

запасается энергия Ь

Р12 при разряде на нее конденсаторной батареи или генератора

Маркса. При достижении тока где индуктивность Ь = Ь

+ Ь

, запас

энергии в линии будет максимальным. Если в этот момент произойдет обрыв тока

прерывателем, то в нагрузке 2Г

появится импульс.

Был создан генератор мощных наносекундных импульсов «Марина», вклю-

чающий генератор Маркса, вакуумную накопительную линию, МППТ и нагрузку,

между которыми встраивался отрезок линии (рис. 7) [10, 11]. Генератор Маркса

имел следующие параметры: напряжение {7

до 960 кВ, емкость С = 0,4-Ю

-6

Ф,

индуктивность Ь

= 0,8-10~

Гн, вакуумная линия имела длину 4 м, волновое со-

противление 60 Ом, индуктивность Ь

совместно с индуктивностью проходного

изолятора 1,3-10

-6

Гн. В качестве нагрузки использовались индуктивность (отрезок

замкнутой вакуумной линии) Ь

= 0,2-10"

Гн, вакуумный диод с взрывной эмисси-

ей для получения пучка электронов или сам прерыватель. Прерыватель содержал

восемь инжекторов плазмы. Инжекция плазмы в прерыватель начиналась за не-

сколько микросекунд до срабатывания генератора Маркса. Концентрация плазмы

составляла ~10

см

-3

. Ток, заряжающий линию, мог превышать 400 кА. Время

роста тока до максимума 1,1 мкс. При коротком замыкании МИВЛ была достигну-

та скорость нарастания тока 1,2-10

А/с при крутизне роста зарядного тока

-3-10

А/с. При включении в качестве нагрузки диода с взрывной эмиссией заряд-

ное напряжение составляло С/

700 кВ, ток / « 280 кА. При этом амплитуда элек-

тронного тока в диоде за 30 не достигала 135 кА, а энергия электронов приближа-

лась к 2 МэВ. При промежутке катод-анод

= 10 и 72 мм доза рентгеновского

Рис. 18.7. а- схема импульсного генератора с вакуумной линией и плазменным прерывате-

лем; б -

схема замещения

генератора

18.2 Генераторы с микросекундными ППТ

351

излучения на расстоянии 150 мм за коллектором составляла соответственно 100 и

1500 рентген за импульс. Отпечатки на коллекторе свидетельствуют о формирова-

нии узконаправленного электронного пучка, например, при Л = 10 мм за 15 им-

пульсов на графитовом коллекторе образовался кратер диаметром 20 мм и глуби-

ной 15 мм, а на тыльной стороне танталового коллектора 0,8 мм после одного

импульса наблюдался откол металла площадью 100 мм

. Исследование работы

прерывателя в качестве нагрузки генератора показало, что вначале скорость роста

сопротивления в нем достигает 10

Ом/с, а К

= 16 Ом. Время пребывания преры-

вателя в «открытом» состоянии достигало 10~

с. При этом напряжение на преры-

вателе за 25 не возрастало до 2,5 МВ, что в 3,4 раза превышало 17

Дальнейшим развитием работы генераторов с МППТ и МИВЛ является уста-

новка «ГИТ-4» [12]. Это четыре многомодульных генератора Маркса с вакуум-

ными проходными изоляторами, через которые они подсоединяются к общей

МИВЛ (рис. 8, а). Плазменный прерыватель и нагрузка устанавливаются в даль-

нем от генератора конце вакуумного накопителя. В качестве источников плазмы

используются коаксиальные плазменные пушки либо поверхностные источники

плазмы (см. рис. 4). Ток разряда в плазменных источниках колебательный либо

апериодический с временем до максимума ~1 мкс и амплитудой 10-4-15 кА. Сдвиг

начала тока в пушках и основного тока обеспечивается схемой синхронизации.

Общий энергозапас генераторов Маркса составляет 2,16 МДж, индуктивность

= 0,1 мкГн, емкость С

= 4,8 мкФ.

Схема замещения генератора приведена на рис. 8, б. Здесь С

и - емкость в

ударе и индуктивность генератора, Ь

- индуктивность вакуумного изолятора и

МИВЛ до прерывателя, элемент 2 замещает собой систему прерыватель-нагрузка.

Рис. 18.8. Схематическое изображение установки «ГИТ-4» (а) и схема

ее

замещения (б). 1 -

генератор Маркса, 2 - вакуумная коаксиальная линия, 3 - место подсоединения узла с

МППТ и нагрузкой. Каждый из генераторов Маркса содержит 36 секций

352

Глава 18. Импульсные генераторы

плазменными прерывателями тока

Соотношение между параметрами схемы можно записать в виде:

л ц I 2

I I

\Ш1 1Ш(-Ц>11

-Ч

Ток 1

в цепи генератора измеряется поясом Роговского, напряжение V на вхо-

де в вакуумный изолятор - активным и емкостным делителями напряжения. Ток в

нагрузке измеряется поясом Роговского и магнитными петлями. По исходным

сигналам рассчитывается напряжение на прерывателе

17г,

индуктивность Ь

, ин-

дуктивность нагрузки

Ь?,

параметр мощность Р

и энергия IV

Для проведения лайнерного эксперимента использовался генератор с радиаль-

ными МППТ (рис. 9). Шестьдесят четыре пушки капиллярного типа были введены

во внешний цилиндр МИВЛ. Центральный проводник выполнен в виде цилиндра,

внешний набирался из стержней диаметром 10 мм. Центральный проводник замы-

кался на торец коаксиала через индиевую прокладку. Переключенный ток регист-

рировался интегрирующим поясом, установленным в торце системы.

При диаметрах внешнего и центрального проводников 560 и 480 мм при на-

пряжении генератора в 720 кВ разгоняемый ток составил 2,8 МА. Величина пере-

ключенного тока 2,4 МА. Скорость роста тока на участке 100 не между уровнями

0-ь2,1 МА -

М О

А/с. При изменении напряжения генератора от 480 до 720 кВ

максимальный ток изменяется в пределах 1,8^-2,8 МА. Напряженность магнитного

поля на катоде при максимальном токе 1,85-10

А/м.

Для повышения напряженности магнитного поля на катоде были уменьшены

диаметры проводников прерывателя. В случае работы в режиме холостого хода

центральный проводник оканчивается полусферой (пунктирная линия на рис. 9, а).

Лайнерная нагрузка имитируется установкой по центру сплошного металлического

цилиндра. Переключенный ток регистрируется поясом 1

и магнитными петлями,

установленными на торце по диаметру 180 мм.

Рис. 18.9. (а) Плазменный прерыватель тока в установке «ГИТ-4». (б) Выходные пара-

метры «ГИТ-4» при холостом ходе на конце нагрузочной ВКЛ (11

= 600

кВ, 1

=2 МА,

3,4 ТВт)

18.2 Генераторы с микросекундными ППТ

353

В режиме короткого замыкания при напряжении генератора 720 кВ макси-

мальный уровень тока срыва 2,6 МА, амплитуда переключенного тока 2,3 МА

при средней скорости нарастания 2,5-10

А/с. При изменении напряжения гене-

ратора от 480 до 720 кВ ток срыва изменяется от 1,67 до 2,6 МА. Напряженность

магнитного поля на катоде при максимальных токах -2,6-10

А/м. В режиме хо-

лостого хода регистрируется эквивалентное сопротивление системы прерыва-

тель-нагрузка на уровне 1 Ом. При напряжении генератора 480 кВ величина тока

срыва 1,74 МА, напряжение на прерывателе 1,4 МВ, мощность 2 ТВт. При на-

пряжении генератора 600 кВ ток срыва 2 МА, напряжение на прерывателе

1,7 МВ, выходная мощность 3,4 ТВт.

Эксперименты на «ГИТ-4» были проведены при инжекции плазмы по радиусу

МИВЛ. Проводились также эксперименты с торца МППТ, т.е. вдоль коаксиала.

В этом случае параметры импульсов были лучше. Например, при диаметре цен-

трального проводника в 160 мм в диапазоне задержек 4,5^-5,5 мкс удалось полу-

чить режимы с сопротивлением во время срыва -1 Ом при токе в контуре

1,65-И,75 МА, мощности 2 ТВт, напряжении на ключе 1,5 МВ. В случае, когда

внутренний коаксиал был конусом, при токе 1 МА зарегистрированы режимы с

эквивалентным сопротивлением 2,3-5-3 Ом при напряжении 3 МВ и выходной мощ-

ности до 3 ТВт.

На установке «ГИТ-4» выполнена серия исследований двухступенчатой схемы,

т.е. с двумя ППТ. Геометрия вакуумной части установки в экспериментах пред-

ставлена на рис. 10. Первая ступень ППТ1 имела диаметр катода 280 мм. Анод вы-

полнен в виде беличьей клетки с диаметром 350 мм. Шестьдесят четыре пушки

расположены на диаметре 480 мм. Вторая ступень ППТ2 представляла собой уча-

сток коаксиальной линии с соотношением диаметров 210/40 мм. Тридцать две

плазменные пушки расположены на аноде.

При напряжении генератора Маркса 480 кВ ток в ППТ1 достигает 1,7 МА за

время 1,2 мкс. При размыкании ППТ2 генерировался импульс напряжения с ам-

плитудой 1 МВ. Это позволило получить ток в ППТ2 0,6 МА за время 100 не. Для

измерения напряжения, которое возникает после срабатывания ППТ2, использо-

вался короткозамкнутый отрезок коаксиальной вакуумной линии длиной 3 м, а для

измерения тока - интегрирующие пояса Рошвского. В линии пояса располагались

на расстоянии 1 м от ППТ2 - /

, и на расстоянии 3 м в месте короткого замыка-

ния - /

. Такая методика позволяла измерять падающую волну тока в линии в тече-

ние двойного времени пробега волны между поясами /

и /

(< 13 не), определять

задержку между появлением сигналов в точках, находящихся на расстоянии 2 м,

оценивать напряжение на ППТ2 по току в нагрузочной линии при условии, что в

ней распространяется волна самоизоляции с током, равным минимальному. Оценка

напряжения на ППТ2 по падающей волне тока /

в линии дает напряжение около

6 МВ. Таким образом, имеет место увеличение напряжения в тринадцать раз по

сравнению с генератором Маркса. Длительность импульса на полувысоте после

ППТ2 составляла 20 не.

Таким образом, микросекундные плазменные прерыватели тока позволили ради-

кально упростить и удешевить импульсные генераторы мегаджоулевого, мегаампер-

ного и мегавольтного диапазонов. Кроме указанных выше работ, экспериментальные

23. Месяц Г. А

354

Глава 18. Импульсные генераторы

плазменными прерывателями тока

Рис.

18.10.

Генератор «ГИТ-4»

с двумя

плазменными прерывателями

исследования генераторов с МППТ были проведены также в работах [13-16].

О некоторых из них мы будем говорить ниже при обсуждении мегаджоульных ус-

тановок с МППТ. Здесь же в качестве примера рассмотрим еще одну исследова-

тельскую установку «НА\УК» [13]. Она включает масляный генератора Маркса

(1 мкФ, Ио = 640 кВ, 225 кДж), замкнутый на МИВЛ. Амплитуда тока /

= 720 кА,

время роста тока 1,2 мкс. Анод МППТ представляет двенадцать стержней, распо-

ложенных по цилиндрической поверхности с радиусом 7,5 см. Внутренний элек-

трод (катод) имел различные конфигурации. В большинстве экспериментов приме-

нялись источники плазмы с пробоем по поверхности диэлектрика. Кроме того, ус-

тановка содержала двенадцать коаксиальных пушек [13], представляющих срез

коаксиального кабеля. В ряде экспериментов использовались четыре газовых кла-

пана, которые срабатывали за 400^-500 мкс до запуска установки. Разряд в газе

инициировался пробоем от конденсатора. Использовались такие газы, как Н

, Аг,

Не. При этом удавалось получать такие же результаты, как и при использовании

обычных источников плазмы. Плотность плазмы в ППТ составляла ~10

см

-3

В качестве нагрузки на «НА\УК» применялись вакуумный и плазмонаполненные

диоды, а также короткозамкнутая нагрузка. В зависимости от импеданса нагрузки 2

работу ППТ можно разделить на два режима. Если 2

меньше некоторой критиче-

ской величины 2

, то работа прерывателя определяется нагрузкой. В этом случае

напряжение 11пт ~ а ток нагрузки /

~ сош*. В случае

2Г

> 1

имеют место соот-

ношения

С/ппт

сопв*,

1/2Г

Величины 2Г

приведены в таблице 1.

Таблица 18.1.

Радиус

катода Я

см

/ппт, КА

,кА *Уппт,МВ

, ТВт 2

, Ом Источник

5 •

635

500 0,9

0,4

1,5

[13]

2,5

500

400

1,2

0,5

3 [13]

конус

600 465

1,6

0,7

[14]

1,3

500 250

2,0 - 7

[16]

§18.3

Экспериментальное исследование ППТ

355

Эти результаты получены при

= 640 кВ, /

= 720 кА; /ппт - полный ток в момент

обрыва, С/ппт и /

- напряжение на ППТ и ток в нагрузке в момент пиковой мощ-

ности. Нагрузкой служил вакуумный диод.

§ 18.3 Экспериментальное исследование ППТ

18.3.1 Фаза проводимости

Экспериментальные исследования ППТ, проведенные в широком диапазоне

амплитуд токов от десятков килоампер до единиц мегаампер, можно условно раз-

делить на две части: исследование фазы проводимости и фазы обрыва тока. Фаза

проводимости ППТ определяет прежде всего эффективность передачи энергии из

емкостного накопителя в индуктивный. Основными ее характеристиками являются

импеданс прерывателя, максимальная амплитуда тока, а также значения величины

смещения плазменной перемычки от генератора к нагрузке. Учитывая, что устрой-

ства с МППТ представляют наибольший практический интерес, в этом и после-

дующих разделах мы будем говорить главным образом о них.

Электрофизические измерения показали, что возрастание тока в ППТ отлича-

ется от расчетного [17]

Это может быть обусловлено возрастанием индуктивности контура за счет элек-

тродинамического движения плазмы под действием силы у

х 2?

что приводит к ге-

нерации противо-эдс - 7(<2Ш/), уменьшающей действующее в цепи напряжение ге-

нератора, и развитием плазменных неустойчивостей, ответственных за возрастание

активного сопротивления. Оба явления приводят к потерям энергии. В первом слу-

чае - на увеличение кинетической энергии плазмы, во втором случае - на нагрев

плазмы. Это осложняет согласование МППТ с нагрузкой из-за возможного проник-

новения плазмы

зону нагрузки и появления на ней предымпульсного напряжения.

Сопротивление МППТ в фазе проводимости не превышает сотых долей ома, при

этом напряжение на нем возрастает до 1 кВ к моменту основного разрыва при отри-

цательной полярности центрального электрода и до 3-6 кВ при положительной по-

лярности последнего. Длительность предымпульса напряжения составляла 100-300 не

при времени до обрыва 0,9-1,2 мкс. В экспериментах на генераторе «Дубль» [17]

(ТПУ) при работе на индуктивную нагрузку (Х

= 0,6 мкГн) импульс переключенного

тока начинался за 400-600 не до начала основного обрьюа

тока ППТ

~ 0,8+0,9 мкс),

при этом его амплитуда достигала нескольких килоампер. Этот эффект наиболее

ярко проявлялся при использовании коаксиальной геометрии ППТ с межэлектрод-

ными зазорами г

- г

> 10 см и временной задержкой до срыва тока < 0,9 мкс.

В этом случае амплитуда предымпульсного тока возрастала до 20 кА.

Эксперименты с МППТ показали, что максимальная амплитуда тока зависит

(при прочих неизменных параметрах) от диаметра внутреннего отрицательного

проводника, количества плазменных пушек, времени задержки между напуском

плазмы и пуском основного генератора, скорости нарастания тока.

Зависимость максимального

тока МППТ

от

диаметра внутреннего проводника И

имеет наиболее выраженный характер и является определяющей при изменении тока

23*

1/2

(18.5)

356

Глава 18. Импульсные генераторы

плазменными прерывателями тока

на порядок. Так, например, эксперименты, выполненные в ИСЭ на генераторах

«Марина» (-250 кА) и «ГИТ-4» (-2,5 МА), показали [11, 12], что десятикратное

увеличение / потребовало такого же увеличения В (с 30 до 280 мм) при использо-

вании одинакового способа инжекции плазмы (с внешнего анодного проводника на

внутренний). Таким образом, можно записать соотношение НО = 7^-8 кА/мм =

= сопз!, указывающее на минимальный диаметр центрального проводника, кото-

рый необходим для перевода энергии из первичного накопителя в индуктивный

при дальнейшей реализации высоких параметров обрыва тока.

Амплитуда тока / меняется также в зависимости от параметров предвари-

тельно инжектированной плазмы. На генераторе «ГИТ-4» изучалась зависи-

мость / от количества плазменных пушек

Концентрация плазмы МППТ при

этом не измерялась, так что в данном случае можно говорить только об измене-

нии общего количества плазмы, инжектированной в объем МППТ. Было получе-

но, что ток пропорционален квадратному корню из количества пушек, т.е.

/ ~

ЛГ°>

В [7] в экспериментах на генераторе «НА\\^К» проводились аналогич-

ные исследования при изменении количества поверхностных искровых источни-

ков плазмы. Здесь было получено, что концентрация плазмы пропорциональна

количеству источников, а амплитуда тока в МППТ зависит от концентрации как

корень четвертой степени, т.е. / - №>

, в отличие от ППТ наносекундного диа-

пазона, где эта зависимость имеет вид / -

Зависимость тока / от времени задержки используется для выбора рабочего ре-

жима МППТ. При увеличении времени задержки сверх некоторого минимального

значения ток / начинает увеличиваться, пока не выходит на насыщение либо не реа-

лизуется режим короткого замыкания. Минимальная задержка соответствует време-

ни, необходимому для пересечения плазмой межэлектродного промежутка МППТ.

Амплитуда тока в МППТ / также зависит от скорости ввода тока в прерыва-

тель. Скорость ввода тока может быть изменена за счет изменения выходного на-

пряжения генератора Маркса 17

, либо в результате изменения индуктивности Ь

разрядного контура. Основной результат, который получен в этих экспериментах,

заключается в том, что в работе МППТ критерий критического тока не проявляется

так явно, как для наносекундного аналога [7]. При увеличении скорости ввода тока

сЛ/Ж амплитуда предельного тока I возрастает, а длительность фазы проводимости

сокращается, причем этот процесс зависит от геометрии МППТ. Так, в экспери-

ментах на «ГИТ-4» для коаксиального МППТ в геометрии 160 мм/210 мм (диаметр

катода/диаметр анода) увеличение выходного напряжения генератора Маркса с

300 до 480 кВ привело к росту I примерно на 11%, а в геометриях 480 мм/580 мм

и 280 мм/350 мм рост Щ с 480 до 720 кВ давал прирост / примерно на 55%.

В экспериментах с МППТ аксиального типа скорость роста тока менялась в 2,4 раза

за счет изменения накопительной индуктивности с 600 до 250 нГн. При этом уве-

личение I составило в среднем 27% [12,17].

Смещение плазменной перемычки исследовалось с помощью оптических мето-

дов, магнитными зондами и по регистрации потоков заряженных частиц на элек-

троды МППТ. Выполненное в работе [18] фотографирование (время экспозиции

80 с) с торца зоны коаксиального МППТ (/ «10

А,

« Ю^с), показало уменьше-

ние светимости плазмы задолго (500 не и более) до начала обрыва тока вблизи от-

рицательного центрального электрода и в середине межэлектродного промежутка

§18.3

Экспериментальное исследование ППТ

357

при положительной полярности центрального электрода. В течение длительности

фазы проводимости эти зоны с уменьшенной светимостью плазмы имели тенден-

цию к расширению. На фотографиях также просматривались радиальные струи,

количество которых соответствовало числу плазменных пушек.

Оптические исследования в режиме временной развертки МППТ коаксиальной

геометрии (отрицательный центральный электрод) на генераторе «Дубль» [17, 20]

проводились в двух режимах работы размыкателя: а) при отсутствии размыкания

тока; б) в рабочем режиме, при наличии размыкания {11= 1,2 МВ). В первом слу-

чае на катоде фиксировалось слабое свечение, момент появления которого был

близок к максимуму тока генератора, а скорость его распространения вдоль катода

к нагрузке (замкнутая коаксиальная индуктивность) возрастала после максимума

тока, при этом свечение на аноде отсутствовало. Во втором случае катодное свече-

ние начиналось задолго до обрыва тока, перемещаясь также в сторону нагрузки.

Скорость распространения этого свечения увеличивалась, достигая к моменту об-

рыва тока максимального значения —

3 • 10

см/с. Во время обрыва тока интенсив-

ность свечения на катоде резко возрастала, и появлялось свечение на анодной по-

верхности, смещенное в сторону нагрузки. Аналогичные исследования динамики

свечения катодной плазмы были проведены в работе [19] при амплитудах тока че-

рез ППТ 200 и 700 кА и длительности фазы проводимости 0,8 и 1,2 мкс соответст-

венно с помощью световодов, размещенных вдоль отрицательного электрода. Ре-

зультаты этих экспериментов свидетельствуют о наличии временных задержек

появления излучения с катодной поверхности, значения которых возрастали в на-

правлении к нагрузке.

Таким образом, описанные выше эксперименты подтверждают то, что уже в

фазе проводимости на катодной поверхности образуется плазма взрывоэмиссион-

ного характера, область генерации которой перемещается с ростом тока через ППТ

в сторону нагрузки. Следует отметить, что роль взрывной эмиссии электронов с

катода, которая в этом случае безусловно появляется, практически не учитывается

в физике процессов ППТ.

В работе [19] были проведены первые исследования динамики проникновения

магнитного поля в плазму при временах ввода тока в ППТ коаксиальной геометрии

до 240 не. Результаты этих исследований совпадали с полученными ранее этими

же авторами при работе с наносекундными ППТ (/

«Ю

-7

с). При полной длине

/= 12 см в первые 40 не ток протекал в канале шириной 3 см, спустя 120 не ток

проникал на 6 см, и за последние 40 не до обрыва происходило быстрое проникно-

вение тока на оставшуюся длину ППТ. При этом не было зарегистрировано проте-

кание радиального тока позади токового канала. В дальнейшем эти исследования

были продолжены на генераторах «РОР», «НА^К» [19] и «Дубль» [20], отличаю-

щихся друг от друга только радиальным межэлектродным зазором (г

/гк = 2,8 для

«РОР», г

/г

= 1,64 для «НА^К» и г

/г

= 4,44 для «Дубль»). Результаты работы

[19] показали преимущественно радиальный профиль токового канала, распро-

страняющегося вдоль ППТ в сторону нагрузки с

«(1

—

2) -10

см/с в первые

600 не длительности фазы проводимости и с

«10

см/с в последующие 200 не до

обрыва тока. В общем виде картина токовых линий представлена на рис. 11, из

которого следует, что поток электронов, эмитируемых с катодной поверхности за

358

Глава 18. Импульсные генераторы

плазменными прерывателями тока

Рис.

18.11.

Качественная

картина распределения

токовых

линий в

МППТ

счет взрывной эмиссии, сначала движется вдоль катодной поверхности и только

затем направляется к аноду. При этом отмечается более быстрое, чем на катоде,

прианодное проникновение тока. В работе [20] был также получен радиальный

профиль токового канала в первые 400 не после начала ввода тока, однако затем

возникал наклон линий тока в сторону нагрузки за счет более быстрого прианодно-

го проникновения тока в плазму. Этот наклон увеличивался со временем и был

максимален к окончанию фазы проводимости. Максимальная скорость перемеще-

ния фронта токового канала наблюдалась в последние 100-50 не фазы проводимо-

сти, достигая значения

5 •

см/с, в то время как его средняя скорость в прика-

тодной области в течение 850 не не превышала 210

см/с, резко увеличиваясь в

последние 50 не до обрыва. Было отмечено, что начало более быстрого прианодно-

го проникновения тока соответствовало выходу токового канала за область предва-

рительно созданной плазмы. В дальнейшем, при нарастании тока генератора, все

большая часть тока вблизи анода замыкалась за первоначальной плазменной обла-

стью, ускоряясь в виде «языка» по направлению к нагрузке вблизи анода.

Полученные данные показывают, что процесс диффузии тока в МППТ проис-

ходит с постоянной скоростью на протяжении примерно 800 не фазы проводимо-

сти. Это свидетельствует о постоянстве среднего значения а/ = СОПБ! (/ - толщина

плазменного слоя, а - проводимость плазмы). Последнее свидетельствует о разви-

тии дополнительных столкновительных процессов в плазме, обеспечивающих не-

обходимую частоту столкновений электронов, ответственными за которую могут

быть ионно-звуковая, бунемановская и нижнегибридная неустойчивости.

Наклон линий тока в прианодной области в сторону нагрузки связывается с за-

магниченностью электронного потока, эмитируемого с катодной поверхности и

дрейфующего в Е

Л?е-полях, при этом возникающее холловское напряжение при-

водит к дрейфу на анод на фронте токового канала в Е

-полях.

Исследования по проникновению тока и соответствующего магнитного поля в

плазму проводились также с помощью изучения динамики корпускулярных пото-

ков (электронов на анод и ионов на катод) из области МППТ. Экспериментальные

результаты [17] по изучению радиальных электронных потоков в коаксиальном

МППТ (/ = 10

А, /

= 1,2 мкс, центральный электрод отрицательной полярности)

на анод показали, что плотность электронного тока на аноде возрастала до

А/см

в медианной плоскости инжекции плазмы из центрального электрода.

Затем в этом месте наблюдалось уменьшение электронного тока, причем время

§18.3

Экспериментальное исследование ППТ

359

начала спада зависело от параметров плазмы. Снижение ее концентрации приво-

дило к более раннему спаду электронного тока на коллекторе в плоскости инжек-

ции. При дальнейшем увеличении тока генератора электронные сигналы появля-

лись на последующих, расположенных на расстоянии друг от друга в аксиальном

направлении, коллекторах. Скорость распространения токового канала зависела от

концентрации плазмы и находилась в диапазоне (410М0

) см/с. Амплитуда плот-

ности электронного тока возрастала по направлению к нагрузке от 10 А/см

с гене-

раторной границы ППТ до 300 А/см

со стороны нагрузки. Полученные данные

подтвердились проведенными в дальнейшем на генераторах «Марина» и «ГИТ-4»

[11, 12, 17] аналогичными измерениями. Это подтверждает механизм последова-

тельного проникновения тока в плазму ППТ в форме токового канала, а также

замагниченность электронов собственным магнитным полем позади него.

В работе [18] проведены первые исследования ионных потоков в стадии прово-

димости микросекундного коаксиального ППТ при положительной полярности

центрального электрода и при наличии внешнего аксиального магнитного поля.

Результаты этих исследований показали, что уже в фазе проводимости в сторону

отрицательного внешнего электрода имеется направленный ионный поток с ам-

плитудой тока, превышающей ионный ток насыщения плазмы. При этом было от-

мечено существование временной задержки в появлении ионных сигналов по дли-

не МППТ в сторону нагрузки. Такого же типа исследования, но с отрицательной

полярностью центрального электрода, были проведены в работах [19, 20]. Резуль-

таты этих исследований в целом совпали с выводами работы [18] и показали также

постепенное появление ионного тока с амплитудой много больше ионного тока

насыщения плазмы по длине ППТ. Характерно, что сигналы ионных датчиков,

расположенных на расстоянии менее 40 см от плоскости инжекции плазмы, дости-

гали максимума еще в фазе проводимости, а затем монотонно уменьшались [20].

Расчет интегрального ионного тока показал, что уже через 300 не после начала

ввода тока в МППТ его доля в полном токе превышала рассчитанный из соотно-

шения (т

1т^)

предел и в дальнейшем нарастала, достигая 20-30% к концу фазы

проводимости. В ходе проведения этих экспериментов была установлена корреля-

ция между расположением токового канала и достижением плотности ионного

тока своего максимального значения в этом месте. Кроме этого, быстрое увеличе-

ние полного ионного тока в конце стадии проводимости (рис. 12) соответствовало

возрастанию площади контакта плазмы ППТ с катодным электродом, т.е. с насту-

пающим в эти же моменты времени быстрым движением токового канала в прика-

тодной области при выходе его на нагрузочную сторону плазменной перемычки.

Полученные результаты измерений ионного тока могут быть связаны с началом

эрозии плазмы позади токового канала в прикатодной области еще в стадии прово-

димости. Началом эрозии плазмы еще в стадии проводимости можно объяснить и

уменьшение плотности ионного тока при обрыве тока. Чайлд-ленгмюровское зна-

чение плотности ионного тока в этом случае будет определяться скоростью нарас-

тания напряжения на прикатодном двойном слое и плотностью плазмы на его

анодной границе. Однако возможны и другие причины, приводящие к увеличению

ионного

тока в фазе проводимости МППТ, например возрастание концентрации

плазмы за счет ионизации нейтральной компоненты или процессы вторичной

ионизации ионов С