Содержание к диссертации
Введение
1. Параметры, схемы построения импульсно-пернодчических генераторов и экспериментальный стенд для исследования диффузных разрядов
1.1. Параметры системы импульсного электропитания 8
1.2. Анализ схем построения импульспо-периодических генераторов для возбуждения диффузных разрядов 12
1.3. Экспериментальный стенд для исследования импульсно-периодических диффузных разрядов 23
2. Комбинированная система импульсного электропитании и возбуждение на ее основе диффузных разрядов
2.1. Устройство и параметры импульсно-периодического генератора с трансформаторной схемой формирования наносекундных импульсов 34
2.2. Моделирование процессов в газоразрядной камере для цепи комбинированного электропитания разряда 37
2.3. Экспериментальные исследования характеристик диффузных разрядов 43
3. Импульсно-периодические генераторы па основе наносекундных формирователей
3.1. Структура и параметры импульсно-периодических генераторов с наносекундньши формирователями 54
3.2. Моделирование процессов в электрических цепях и газоразрядной камере 56
3.3. Импульсное зарядное устройство 68
3.4. Конструкция и экспериментальные параметры наносекундных формирователей , 69
4. Возбуждение импульсно-периодических диффузных разрядов с генераторами на основе наносекундных формирователей
4.1. Возбуждение импульсно-периодического диффузного разряда с использованием формирователя импульсов ФИ-70 79
4.2. Возбуждение импульсно-периодического диффузного разряда с использованием формирователя импульсов ФИ-120П 88
4.3. Возбуждение импульсно-периодического диффузного разряда с использованием формирователя импульсов ФИ-120 90
4.4. Исследование пространственной структуры импульсно-периодического диффузного разряда 98
Заключение 102
Литература 107
- Анализ схем построения импульспо-периодических генераторов для возбуждения диффузных разрядов
- Моделирование процессов в газоразрядной камере для цепи комбинированного электропитания разряда
- Структура и параметры импульсно-периодических генераторов с наносекундньши формирователями
- Возбуждение импульсно-периодического диффузного разряда с использованием формирователя импульсов ФИ-120
Введение к работе
В научных исследованиях* новейших технологиях, практической медицине находят широкое применение устройства мощной импульсной электрофизики, что связано, в частности, с их способностью генерировать рекордные значения импульсной мощности [1-18]. Одним из таких применений является использование импульсной газоразрядной плазмы для целей стерилизации медицинского и иного инструментария, а также обеззараживания загрязненной среды.
В отличие от традиционно используемых способов стерилизации газоразрядные методы, связанные с генерацией и воздействием на загрязненные и зараженные объекты низкотемпературной плазмы, обладают рядом принципиальных преимуществ. Здесь следует отметить низкие температуры стерилизации, что дает возможность стерилизовать термочувствительные материалы. Плазма разряда содержит широкий спектр агентов стерилизации: заряженные частицы, высоковозбужденные нейтралы, активные продукты плазмохимиче-ских реакций, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, что позволяет проводить стерилизацию эффективно и за малые времена порядка нескольких минут, В отличие от стерилизующих устройств на основе ускорителей заряженных частиц [1,2,19,20] плазменные стерилизационные установки не требуют специальных помещений и специально подготовленного персонала. Их отличает экологическая безопасность и малая стоимость.
В настоящее время ведутся активные работы по исследованию возможностей использования для практических целей различных способов генерации стерилизующей газоразрядной плазмы (тлеющий разряд, корона, диэлектрический барьерный разряд, высокоскоростные плазменные струи, индукционные плазменные разряды) [21-36], среди которых можно особо выделить тлеющий разряд атмосферного давления [37-43], характеризующийся широким спектром активных агентов стерилизации. В то же время, необходимо отметить ряд существенных недостатков, которые ограничивают возможности широкого распространения подобных установок. Так, в частности, коронные и диэлектриче-
ские барьерные разряды обладают сравнительно малой эффективностью наработки агентов стерилизации, что приводит к необходимости значительного увеличения длительности процесса обработки. В установках, использующих в качестве активной среды тлеющие разряды пониженного давления (10" -10" Торр), требуется применение специального вакуумного оборудования, что усложняет и увеличивает стоимость стерилизационной установки, а также повышает техническую сложность применения стерилизующих устройств, в том числе и при обработке влажных материалов и инструментов.
Тлеющий разряд при атмосферном давлении газовой среды возбуждается в коротких разрядных промежутках (не более 1-2 см), что не позволяет размещать непосредственно в них реальные стерилизуемые объекты. Необходимость увеличения объема рабочих камер установок вынуждает использовать для стерилизации только долгоживущие продукты разряда, которые выносятся из межэлектродного зазора малого объема потоком транспортирующего газа. В этом случае снижается эффективность стерилизации, так как используется малая часть агентов стерилизации (главным образом продукты плазмохимических реакций).
В последние годы в МИФИ и ВНИИЭФ ведутся работы по использованию в качестве источника стерилизации низкотемпературной плазмы диффузного разряда, возбуждаемого в резконеоднородных полях при давлениях от десятков Торр и вплоть до атмосферного [44-50]. При этом, резконеоднородное распределение поля позволяет увеличить межэлсктродный зазор и, следовательно, рабочий объем стерилизационпых камер. Помимо этого, импульсно-периодический характер разряда (при длительности импульсов десятки наносекунд — единицы микросекунд) обеспечивает режим разряда, характеризуемый диффузным свечением и генерацией высокоэнергетичных (убегающих) электронов. Последнее обстоятельство способствует генерации мягкого рентгеновского излучения (единицы-десятки кэВ), резко повышающего эффективность стерилизации. Подобный пмпульсно-периодический диффузный разряд
использовался для ионизации больших объемов (десятки литров) рабочей сре-
ды газовых лазеров [51-57]. Кроме этого проведены успешные эксперименты по деструкции плазмой импульсно-периодического диффузного атмосферного разряда органических загрязнителей воздуха, в том числе таких стойких как четыреххлористый углерод и бензол.
Импульсно-периодический диффузный разряд использовался для наработки озона с целью стерилизации. Недавние эксперименты по инактивации микробиологических культур (в частности Е-соН и S-epidermialis) низкотемпературной плазмой импульсно-периодического диффузного разряда показали полную стерильность тест образцов после 15 минут их обработки при средней мощности разряда 0,3-3 Вт.
Вместе с тем для разработки экспериментальных образцов стерилизаторов с целью их практического применения необходимо провести широкий круг исследований в том числе по созданию систем импульсного электропитания, выбору и оптимизации электродных систем, условиям возбуждения импульсно-периодического диффузного разряда, определению его структуры и характеристик. Целью диссертации является
Выработка параметров, создание структуры и моделирование работы импульсно-периодических генераторов для электропитания газоразрядных камер.
Экспериментальное исследование работы импульсно-периодических генераторов на резистивную нагрузку,
Исследование электродных систем газоразрядных камер, создающих рез-конеоднородное распределение электрического поля,
Исследование возбуждения диффузного разряда при работе импульсно-периодических генераторов на газоразрядные камеры.
Измерение и анализ характеристик импульсно-периодического диффузного разряда для различных способов его возбуждения и величин давления остаточного газа.
Научная новизна заключается в следующем
Впервые использована для возбуждения импульсно-периодического диффузного разряда в газоразрядных камерах с расстоянием между электродами более 5 см в широком диапазоне изменения давления рабочего газа электродная система, создающая резконеоднородное распределение электрического поля: спиральный проволочный электрод-поверхность.
Впервые использована для возбуждения импульсно-периодического диффузного разряда в газоразрядных камерах объемом до 30дм3 комбинированная система электропитания, состоящая из источника постоянного напряжения и импульсно-периодического генератора, которая увеличивает энерговыделение в разряде, а также улучшает равномерность распределения разряда по объему камеры.
Впервые получено возбуждение импульсно-периодического диффузного разряда с использованием разработанных импульсных генераторов с малой длительностью фронта импульса (менее 10 не) во всем диапазоне рассматриваемых давлений газа в газоразрядной камере - от 10 Торр и вплоть до атмосферного.
Впервые исследована макро- и микроструктура импульсно-периодического диффузного разряда с электродной системой спиральный проволочный электрод - плоскость.
Практическая ценность
Полученные в работе результаты позволяют создать экспериментальный образец установки, реализующей новую технологию стерилизации на основе воздействия низкотемпературной плазмой импульсно-периодического диффузионного разряда, возбуждаемого в резкоиеоднородных полях- На этой основе может быть разработан промышленный стерилизатор для широкого применения в медицинских учреждениях, парикмахерских салонах и т.д.
Большая востребованность подобных стерилизаторов связана с тем, что плазма импульсно-периодического атмосферного диффузного разряда, возбуждаемого в резкоиеоднородных полях, обладает широким спектром агентов
стерилизации: заряженными частицами, высоковозбужденными нейтралами, активными продуктами плазмохимических реакций, ультрафиолетовым излучением. Помимо этого, в результате реализации режима убегающих электронов генерируется рентгеновское излучение в диапазоне единицы-десятки кэВ. В результате резко повышается эффективность процесса стерилизации и становится возможным обеззараживать стойкие микробные культуры. Низкотемпературный характер плазмы разряда позволяет стерилизовать термочувствительные материалы, которые довольно широко распространены в медицинских учреждениях. На защиту выносятся
Результаты моделирования и экспериментального исследования семейства генераторов на основе трансформаторной схемы питания, с помощью которых получено возбуждение разряда в широком диапазоне давлений,
Результаты моделирования и экспериментального исследования комбинированной системы питания разряда, поднявшей уровень энерговложения в разряд и позволившей улучшить его однородность.
Результаты моделирования и экспериментального исследования наносе-кундных формирователей, позволивших получить возбуждение диффузного разряда при атмосферном давлении.
Результаты исследования структуры разряда, содержащего микро- и макроструктуру токовых каналов.
Апробация работы
Основные результаты и положение диссертации были представлены на следующих конференциях: 14th IEEE International Pulsed Power Conference, Dallas, Texas, USA, June
15-18,2003.
XV Научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Судак, Украина, май 2003.
Научная сессия МИФИ-2003, секция "Физико-технические проблемы нетрадиционной энергетики", Москва, 2003 г.
Научная сессия МИФИ-2004, секция "Физико-технические проблемы нетрадиционной энергетики", Москва, 2004 г.
Публикации
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 7 работах. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 120 источников. Общий объем работы 117 стр., из них 106 стр. основного текста, 62 рисунка, 4 таблицы.
Анализ схем построения импульспо-периодических генераторов для возбуждения диффузных разрядов
В настоящее время разработан целый спектр высоковольтных импульсно-периодических генераторов с длительностью импульсов от десятков наносекунд до единиц микросекунд, различающихся как по своей структуре, так и по выходным характеристикам. Промышленно выпускаемые генераторы разрабатываются, как правило, под конкретный тип нагрузки и определенную область применения. В них не закладывается возможность перестройки характеристик установки в широких пределах, что является необходимым условием для экспериментальных исследований.
Выбор конкретного типа генератора для создания системы импульсного электропитания экспериментальных установок необходимо проводить с учетом параметров нагрузки и требований к характеристикам импульса напряжения. К числу наиболее важных параметров генераторов относятся: амплитуда напряжения, длительность импульса, длительность фронта и спада, импульсная и средняя мощность, частота следования импульсов и др. В большинстве генераторов используются накопители энергии емкостного типа; в качестве коммутаторов применяются газовые и вакуумные разрядники, псевдоискровые разрядники, импульсные водородные тиратроны, полупроводниковые коммутаторы и т.д. При этом характеристики коммутаторов оказывают существенное влияние на выходные характеристики генератора в целом»
Для формирования импульсов высокого напряжения в электрофизических установках широкого круга технологических применений используются различные схемы импульсных генераторов, при этом, как указывалось выше, конкретный выбор схемного решения импульсных источников определяется характеристиками нагрузки и требуемыми параметрами импульса высокого напряжения» В основу работы импульсных генераторов положен принцип временного сжатия энергии, при котором в накопительном устройстве сравнительно медленно накапливается энергия, после чего с помощью высоковольтного коммутатора происходит процесс быстрого подключения формирующих цепей генератора к нагрузке. В результате этого создаются условия формирования мощного импульса на нагрузке при сохранении приемлемых значений средней мощности энергопотребления установки от сети.
Упрощенная функциональная схема высоковольтных импульсных генераторов оказывается достаточно простой, и в ней можно выделить следующие основные блоки: первичный накопитель энергии, цепи формирования импульса, система коммутации. Необходимо отметить, что процесс формирования импульса происходит в условиях взаимного влияния элементов схемы генератора и цепей нагрузки, и их характеристики оказывают существенное влияние на параметры импульса напряжения. В этой связи разработка высоковольтного импульсного источника предполагает комплексный подход к выбору адекватного схемного исполнения генератора и применения соответствующей элементной базы. Существующий широкий диапазон требований к параметрам импульсных генераторов напряжений определил потребность разработки целого спектра различных практических схем построения генераторов. Среди наиболее распространенных схем можно выделить такие схемы как импульсные генераторы с накопительными длинными линиями, генераторы с сосредоточенными емкостными накопителями, генераторы импульсных напряжений Аркадьева-Маркса, трансформаторные схемы питания мощных импульсных систем и др.
Импульсные генераторы в зависимости от их назначения могут быть построены на основе накопителей как с распределенными, так и с сосредоточенными параметрами. Условия работы схем импульсных генераторов, построенных на формирующих линиях с распределенными параметрами, подробно рассмотрены в [75-84]. Одним из представителей систем с распределенными параметрами является одинарная формирующая линия. В начальный момент времени линия заряжается от источника постоянного напряжения с величиной выходного напряжения Uo через сопротивление R3 много большее по сравнению с ее волновым сопротивлением р. При подключении длинной линии на со гласованную нагрузку RH=p на ней формируется прямоугольный импульс напряжения с амплитудой UQ/2, и длительностью, равной двойному времени пробега электромагнитной волны по отрезку линии.
Одним из достоинств подобных схем построения генераторов является то, что форма и временные характеристики импульсов напряжения определяются главным образом параметрами формирующих линий и не зависят от характеристик используемого источника первичного электропитания схемы (зарядного устройства), В то же время, одним из основных недостатков одинарных формирующих линий является то, что уровень зарядного напряжения линии практически вдвое превосходит амплитуду импульса напряжения на нагрузке (в согласованном режиме работы), что существенно усложняет требования к высоковольтной изоляции формирующей линии и увеличивает ее габариты и стоимость. Кроме этого в случае работы генератора в несогласованном режиме происходит искажение формы импульса напряжения на нагрузке, вызванное отражениями электромагнитных волн в формирующей линии.
Моделирование процессов в газоразрядной камере для цепи комбинированного электропитания разряда
На рис представлена структурная схема генератора на основе трансформаторной схемы формирования импульса высокого напряжения» Подобные схемы характеризуются высокой надежностью и позволяют работать в широком частотном диапазоне [955 96, 99, 100]. Первичное накопление энергии в генераторах осуществляется при пониженном уровне напряжения, увеличение амплитуды импульса происходит с помощью высоковольтного импульсного трансформатора, В состав генератора входят блок синхронизации и запуска (БСЗ), обеспечивающий возможность запуска генератора при подаче внешнего синхроимпульса либо в частотном режиме, силовой каскад, включающий в себя первичный емкостной накопитель (С) и водородный импульсный тиратрон (VS), высоковольтное зарядное устройство (ВЗУ), служащее для зарядки первичного емкостного накопителя генератора в диапазоне напряжений 6-10 кВ, кабельный импульсный трансформатор (Т), вторичная обмотка которого подключается к нагрузке. щей коммутации накопителя на первичную обмотку трансформатора, В качестве коммутирующего элемента схемы в первичном контуре трансформатора VS используется водородный тиратрон ТГИ2-130/10. Одним из важных преимуществ импульсных тиратронов является широкий рабочий диапазон по напряжению и частоте срабатывания, что позволяет осуществлять регулировку амплитуды выходного напряжения генератора путем изменения уровня зарядного напряжения емкостного накопителя и частоты срабатывания без изменения схемного исполнения генератора. Тиратроны позволяют обеспечить минимальные длительности фронта импульса и задержки срабатывания коммутатора.
Блок синхронизации и запуска генератора позволяет работать в режиме самовозбуждения с частотами следования импульсов (10, 25, 50 и 100 Гц), а также в режиме внешнего запуска. В качестве первичных накопителей генераторов использованы керамические конденсаторы КВИ-3 с суммарной емкостью 06,6 нФ.
Высоковольтный импульсный трансформатор «кабельной» конструкции [70,71,109] выполнен на кольцевом ферритовом сердечнике. Для изготовления обмоток использован коаксиальный кабель типа РК-50-7-15. Оплетка кабеля разделена па четыре секции по 4 витка в каждой, которые включены параллельно, образуя таким образом первичную обмотку трансформатора. Центральный изолированный проводник кабеля выполняет функцию вторичной обмотки (16 витков)- Изоляция центрального проводника одновременно служит в качестве межобмоточной изоляции трансформатора. Подобное конструктивное исполнение характеризуется малой индуктивностью рассеяния и высоким коэффициентом связи, что создает условия для эффективной передачи энергии из первичного накопителя в нагрузку.
Для проведения экспериментальных исследований было изготовлено две модификации генераторов данного типа, выполненных по одной схеме, но формирующих выходные импульсы различной полярности. Смена полярности импульсов достигается изменением способа включения обмоток импульсного трансформатора. Основные электрические характеристики генераторов представлены в табл.1. Характерной особенностью работы генератора в экспериментальных условиях является наличие в его цепи плазменной нагрузки, обладающей нелинейными электрическими характеристиками, что делает затруднительной работу генератора в согласованном режиме. Поэтому в данной ситуации параметры формируемого импульса напряжения (форма, длительность, амплитуда) оказываются в значительной степени зависящими от характеристик нагрузки: ее омического сопротивления и емкости, индуктивности подводящих проводов- На рис Л 2 представлена осциллограмма импульса напряжения отрицательной полярности на выходе генератора, подключенного к активной нагрузке с сопротивлением Ru=l кОм. Можно отметить относительно медленное нарастание импульса, длительность его фронта составляет около 0,1 мкс, что существенно превосходит собственное время коммутации водородного тиратрона, использованного в схеме генератора. Данное обстоятельство вызвано тем, что в разработанной схеме генератора вторичные цепи выходного трансформатора подключаются непосредственно к нагрузке. В этом случае на процессы формирования фронта импульса напряжения оказываются определяющее значение паразитная индуктивность трансформаторной цепи и емкостная составляющая импеданса нагрузки [101,102]. Подобный эффект определил необходимость использования «кабельной конструкции» трансформатора, позволяющей минимизировать ин дуктивность рассеяния.
Процессы, происходящие в комбинированной системе электропитания установки, а также в ее измерительных цепях были промоделированы с помощыо пакета прикладных программ Micro-Cap [120]- На рис, 13 представлена эквивалентная электрическая схема электропитания, использованная для расчетов.
Электропитание газоразрядной камеры стенда (ГК) осуществляется с помощью импульсно-периодического генератора (ИГ) и источника постоянного напряжения (UCM), который включен в схему через токоограничивающий резистор R1. Высоковольтный наносекундный импульс напряжения, подаваемый на электродную систему газоразрядной камеры, генерируется при коммутации с помощью коммутатора VS1 предварительно заряженного конденсатора С1 на первичную обмотку трансформатора Т. Конденсатор С2 во вторичной обмотке трансформатора соответствует емкости кабеля, соединяющего импульсный генератор с газоразрядной камерой.
Структура и параметры импульсно-периодических генераторов с наносекундньши формирователями
Как следует из рис Л 4, можно выделить две последовательные фазы разряда. В ходе первой фазы (до момента срабатывания коммутатора VS2) ток в газоразрядной камере протекает через межэлектродную емкость С5. Характерное значение емкостного тока составляет 10 А. На второй фазе разряда происходит коммутация резистивной ветви, моделирующей формирование проводящего канала разряда, что вызывает появление активной составляющей тока и заметный рост общего тока разряда. Из данных рис Л 4 также следует, что изменение значения сопротивления разряда, происходящее в результате изменения ряда факторов (давление газовой среды, конфигурацї кг уоднфи системы и т.д.) будет приводить к изменению тока разряда. Так, например, если при активном сопротивлении разряда R5=1KOM значение тока в нагрузке (разряде) составляет около 40 А, то при R5 = 100 Ом ток превышает
К числу важных характеристик диффузных разрядов относятся их энергетические параметры: импульсная мощность P(t), динамика вложения энергии W(t), полное энерговложение в разряд Wp. На рис.15 представлена зависимость энерговложения в нагрузку от ее омического сопротивления, из которой следует, что при изменении сопротивления разряда происходит изменение его энергетических параметров, а условия максимальной энергопередачи в нагрузку обеспечиваются при согласовании внутреннего импеданса импульсного генератора и сопротивления нагрузки. Подобный эффект зависимости \VP от сопротивления нагрузки отмечается и при проведении экспериментальных исследований диффузных разрядов в газовых средах различного давления с использованием разнообразных электродных систем, поскольку это вызывает изменение эффективного сопротивления разряда в широком диапазоне.
Под влиянием напряжения смещения, приложенного к электродной системе газоразрядной камеры, изменяются условия возбуждения диффузных разрядов, что сопровождается соответствующим изменением их электрических характеристик. На рис, 16 представлены зависимости тока и напряжения разряда от времени, а также динамика энерговложения в разряд для различных значений напряжения смещения (UCM =0 кВ; 7,5 кВ; 15 кВ). Активное сопротивление нагрузки в данных расчетах принято равным R5=500 Ом, величина U0 составляет 10 кВ. от времени: a-UCM = 05 6- ,=7,5 1 в-исн=15кБ. UD=10KB.
Как видно из представленных зависимостей увеличение напряжения смещения вызывает рост тока разряда и величины энерговложения в разряд, что связано с ростом полного напряжения на разряде, которое слагается из напряжения смешения и импульсного напряжения от генератора высоковольтных импульсов, Так, например, в рассмотренных случаях при отсутствии напряжения смещения (Ucu 0 кВ) значение тока в нагрузке составляет 60 А, полное эперговложение 0}12 Дж. В то же время при UCM =15 кВ ток возрастает до 90 А, а энерговложение достигает 0,3 Дж. Прирост энерговложения в разряд обеспечивается благодаря выделению в нагрузке энергии, накопленной в разделительном конденсаторе СЗ, первоначально заряженном до напряжения UCM. Таким образом, варьируя значение емкости разделительного конденсатора и величину напряжения смещения, возможно, управлять уровнем энерговложепия в разряд.
Экспериментальные исследования по возбуждению импульсно-периодических диффузных разрядов с использованием комбинированной схемы электропитания стенда, включающей в себя генераторы с трансформаторной схемой формирования импульсов и источник напряжения смещения, были проведены для давлений воздуха от 10 до 300 Торр. В экспериментах были использованы генераторы импульсов положительной и отрицательной полярности с амплитудой от 25 кВ до 50 кВ. Постоянное напряжение смещения, приложенное к электродной системе газоразрядной камеры, варьировалось от 0 до 20 кВ. Максимальная частота следования импульсов составляла 100 Гц.
Эксперименты проводились в двух газоразрядных камерах с металлическими и диэлектрическими стенками, характеристики которых были представлены выше. При исследованиях коаксиальных конфигураций электродных систем использовалась металлическая газоразрядная камера, корпус которой выполняет функцию заземленного электрода. На оси камеры устанавливались высоковольтные электроды различных конфигураций, полезный объем газоразрядной камеры составляет около 30 дм при эффективной длине разрядного промежутка около 15 см. В экспериментах с диэлектрической камерой исследовались различные электродные системы, образуемые высоковольтным и плоским заземленным электродами. Среди исследованных электродных конфигураций здесь можно отметить такие как острие — плоскость, проволочка — плоскость, спиральный проволочный электрод - плоскость, плоскопараллельная конфигурация электродов и др. Длина межэлектродного промежутка варьировалась от 2 см до 10 см, максимальный объем разрядной области составлял около 2 дм Эксперименты покачали, что при подаче импульсов напряжения на электродную систему газоразрядной камеры, заполненной воздухом при давлениях от 10 до 200 Торр, происходит формирование диффузного разряда, заполняющего весь эффективный объем межэлектродного промежутка. Пространственная структура и электрические характерисшки разряда зависят от целого ряда факторов: конфигурации электродной системы, давления газовой среды, амплитуды и полярности импульса напряжения, уровня напряжения смещения, приложенного к электродной системе и др. Особо следует отметить влияние давления газовой среды на структуру разряда. Так, в частности, если при давлениях воздуха менее 30 Торр разряд имеет объемную форму и равномерно заполняет активньш объем межэлектродного промежутка, то в случае увеличения давления на фоне общего объемного свечения разряда наблюдается образование отдельных диффузных разрядных каналов.
Возбуждение импульсно-периодического диффузного разряда с использованием формирователя импульсов ФИ-120
Эксперименты по возбуждению диффузных разрядов, проведенные с помощью генераторов с трансформаторной схемой формирования импульсов, показали, что разряд зажигается в газоразрядных камерах с различными электродными системами объемом до нескольких дм при рабочих давлениях 30-200 Торр. В то же время, как уже отмечалось ранее для создания стерилизационных установок рабочие объемы должны составлять единицы-десятки дм3, а давление должно приближаться к атмосферному, С этой целью амплитуда импульсов напряжения, прикладываемых к электродной системе должна превышать 100 кВ. Одновременно с этим для улучшения однородности разряда и получения в качестве агента стерилизации рентгеновского излучения за счет эффекта убегшшя электронов длительность фронта импульса должна составлять величину меньшую 10 нс» Помимо этого остаются в силе сформулированные выше требования, выработанные к характеристикам системы импульсного электропитания: на сопротивление нагрузки - сотни Ом - 1 кОм, энерговыделение в нагрузке - порядка 1 Дж/имп и частоту следования импульсов - 50-100 Гц. Проведенные ранее эксперименты показали также, что для исследования диффузных разрядов, возбуждаемых при различных рабочих условиях, система импульсного электропитания должна обеспечивать генерацию импульсов, длительность которых может меняться в диапазоне от 20-30нс до 0,5 мкс. Все это побудило разработать новую серию импульсных генераторов, параметры импульсных сигналов которых соответствуют сформулированным требованиям. рис.25. Генераторы включают в себя импульсное высоковольтное зарядное устройство (1) и наносекундный импульсный формирователь (2), подключаемый к нагрузке ZH (3) с помощью быстродействующего коммутатора Sw. Импульсное высоковольтное зарядное устройство построено на базе высоковольтного трансформатора Т с использованием в качестве коммутационного элемента тиристорного блока VD, Максимальный уровень импульсного напряжения, генерируемого на вторичной обмотке трансформатора, составляет 150кВ.
Первичный накопитель энергии С1 (30-60 мкФ) в импульсном зарядном устройстве заряжается от постоянного источника с напряжением 0-1кВ, Срабатывание схемы инициируется импульсом, поступающим на управляющий электрод тиристора VD, В результате этого осуществляется импульсная зарядка высоковольтного конденсаторного блока С2, установленного в наносекундном импульсном формирователе. В качестве быстродействующего коммутатора-обострителя импульса на выходе генератора используется неуправляемый искровой разрядник Sw. В выходном разрядном контуре формирователя импульсов могут быть установлены дополнительные элементы, дающие возможность корректировать форму импульса напряжения, потупающего на нагрузку ZH. В частности, использование корректирующей цепи, содержащей индуктивную катушку L1, конденсатор СЗ и резистивный элемент R3, способствует формированию плоской вершины импульса. Для проведения исследований по возбуждению диффузных газовых разрядов разработано несколько модификаций генераторов, использующих формирователи различных типов (ФИ-70, ФИ-120П, ФИ-120), которые позволяют генерировать импульсы напряжения различной формы с длительностью фронта менее 10 не и с амплитудой на нагрузке, превышающей 100 кВ. Диапазон регулировки длительностей импульсов напряжения составляет от 30 не до 0,5 мке, при максимальной частоте следования импульсов 50 Гц, Формирователи импульсов отличаются конструктивным и схемотехническим исполнением, уровнем зарядного напряжения и электроемкостью установленных в них накопителей энергии. В формирователе ФИ-120П установлена RLC-корректирующая цепочка, которая способствует формированию плоской вершины импульса с длительностью до 0,5 мкс. В табл.2 приведены основные характеристики формирователей наносе-кундных импульсов, камере На рис.26 представлена обобщенная эквивалентная электрическая схема генераторов. Функцию первичного накопителя энергии в этой схеме выполняет конденсатор С1 (30-60 мкФ), заряжаемый через сопротивление R1 от источника постоянного напряжения U0. Импульсный трансформатор Ts используемый для зарядки высоковольтного накопителя генератора С2 (0 15-0,8 нФ), содержит два индуктивно-связанных колебательных LC-контура. В данных контурах после срабатывания коммутатора VS1, установленного в первичной обмотке трансформатора, инициируется переходной процесс, в результате которого осуществляется передача энергии во вторичный контур. Ключевой элемент VS2, срабатывает на фронте первой полуволны импульсного напряжения на конденсаторе С2 и тем самым осуществляет коммутацию генератора на нагрузку. В представленной схеме выходной разрядный контур формирователя образован емкостным накопителем С2, RLC-корректирующей цепочкой (L2, С3? R3) и элементами па-грузки (газоразрядная камера, измерительные преобразователи). К выходу импульсного генератора подключен резистивный делитель напряжения, представленный эквивалентной цепью на основе сопротивлений R4, R5, R6, индуктивности L4 и емкости С4. Резистивный шунт экспериментальной установки моделируется с помощью последовательно включенных сопротивления R8 и индуктивности L5.
