Сеточный стабилизатор напряжения на базе пучковой плазмы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе экспериментально исследованы электрокинетические параметры плазменно-пучкового стабилизатора напряжения с управляющим электродом в виде мелкоструктурной молибденовой сетки, установленной между катодом и анодом. Выполнена зондовая диагностика анизотропной функции распределения электронов в межэлектродных зазорах прибора. Проанализировано влияние конструкции сеточного узла на энергетические характеристики стабилизатора. Оптимизированы давление гелия и величины зазоров катод–сетка и сетка–анод. Обнаружены разрядные режимы, позволяющие получать стабилизированное напряжение величиной до 120 В при плотности тока порядка 1 А/см2. Сравнительная оценка энергетических характеристик сеточного и диафрагменного стабилизаторов напряжения показала преимущество сеточной конструкции.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Ю. Грабовский

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Автор, ответственный за переписку.
Email: schwer@list.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. С. Мустафаев

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Email: schwer@list.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. В. Штода

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Email: schwer@list.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Новые возможности цилиндрического зонда в газоразрядной плазме // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 347.
  2. Задириев И.И., Швыдкий Г.В., Вавилин К.В., Кралькина Е.А., Никонов А.М. Зависимость параметров высокочастотного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов от схемы организации емкостного высокочастотного разряда // ТВТ. 2023. Т. 61. № 1. С. 3.
  3. Сафронов А.А., Кузнецов В.Е., Дудник Ю.Д., Ширяев В.Н., Васильева О.Б., Ковшечников В.Б. Исследование эрозии электродов в мощных однокамерных трехфазных плазмотронах переменного тока // ТВТ. 2021. Т. 59. № 3. С. 330.
  4. Ermakov S.B., Vologzhanina S.A., Ermakov B.S. Features of Obtaining Ni–Cr–Fe Alloy Powders by Plasma Atomization // Mater. Sci. Forum. 2021. V. 1040. P. 1.
  5. Yachmenova L.A., Syrkov A.G., Kabirov V.R. Features of Obtaining Surface-modified Metals with Minimal Carbon Footprint // Non-ferrous Metals. 2023. № 2. P. 33.
  6. Скрябин А.С., Сычев А.Е. О плазмохимической переработке мелкодисперсных частиц монооксида кремния в аргон-водородных плазменных потоках // ТВТ. 2022. Т. 60. № 3. С. 339.
  7. Филимонова Е.А., Добровольская А.С. Влияние момента инициации высокочастотного коронного разряда на развитие горения в гибридном компрессионном двигателе // ТВТ. 2023. Т. 61. № 3. С. 340.
  8. Campbell M.F., Celenza T.J., Schmitt F. et al. Progress Toward High Power Output in Thermionic Energy Converters // Adv. Sci. 2021. V. 8. № 3. 2003812.
  9. Иванов С.В., Кузнецов В.И. Энергетическая стратегия развития Арктики и районов Крайнего Севера Российской Федерации до 2030 года // Региональная энергетика и энергосбережение. 2021. № 1. С. 58.
  10. Khalturin A.A., Parfenchik K.D., Shpenst V.A. Features of Oil Spills Monitoring on the Water Surface by the Russian Federation in the Arctic Region // J. Mar. Sci. Eng. 2023. V. 11. № 1. P. 111.
  11. Лазаренко Г.Э., Ярыгин В.И., Пышко А.П. и др. Автономная термоэмиссионная ядерная энергетическая установка для морских газо- и нефтедобывающих платформ // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2011. № 3. С. 21.
  12. Shklyarskiy Y., Skvortsov I., Sutikno T. et al. The Optimization Technique for a Hybrid Renewable Energy System Based on Solar-hydrogen Generation // Int. J. Power Electronics and Drive Systems. 2024. V. 15. № 1. P. 639.
  13. Ануфриев А.С., Лебедик Е.А., Смирнов А.А. Автоматизированная система управления шаровым заполнением мелющих агрегатов // Обогащение руд. 2024. № 1. С. 3.
  14. Бакшт Ф.Г., Богданов А.А., Каплан В.Б. и др. Стационарный низковольтный плазменно-пучковый разряд // Физика плазмы. 1984. Т. 10. № 4. С. 881.
  15. Цендин Л.Д. Нелокальная кинетика электронов в газоразрядной плазме // УФН. 2010. Т. 180. № 2. C. 180.
  16. Li S., Yuan C., Yao J. et al. Evidence of Effective Local Control of a Plasma’s Nonlocal Electron Distribution Function // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. № 7. 077001.
  17. Jingfeng Y., Chengxun Y., Zhi Y. Nonlocal Control of Plasma Conductivity // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. № 7. 073301.
  18. DeJoseph C.A., Demidov V.I., Kudryavtsev A.A. Nonlocal Effects in a Bounded Low-temperature Plasma with Fast Electrons // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. № 7. 057101.
  19. Лебедев П.М., Онищенко И.Н., Ткач Ю.В. и др. Теория плазменно-пучкового разряда // Физика плазмы. 1976. Т. 2. № 3. С. 407.
  20. Adams S.F., Demidov V.I., Bogdanov E.A. et al. Control of Plasma Properties in a Short Direct-current Glow Discharge with Active Boundaries // Phys. Plasmas. 2016. V. 23. № 2. 024501.
  21. Sukhomlinov V., Mustafaev A., Koubaji H. et al. Kinetic Theory of Instability of the Electron Beam-Plasma System Taking into Account the Elastic Electron-Atomic Collisions for an Arbitrary Scattering Indicatrix // J. Phys. Soc. Japan. 2023. V. 92. № 4. 044501.
  22. Mustafaev A., Grabovskiy A., Krizhanovich A. et al. Beam-Plasma Stabilizer for the New Type of Nuclear Power Energy Systems // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 23. 11419.
  23. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю., Сухомлинов В.С. Подавление плазменных неустойчивостей в плазме трехэлектродного стабилизатора тока и напряжения // ТВТ. 2021. Т. 59. № 3. С. 323.
  24. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Низковольтный пучковый разряд в легких инертных газах для решения проблем стабилизации напряжения // ТВТ. 2017. Т. 55. № 1. С. 24.
  25. Wang H., Sukhomlinov V., Kaganovich I. et al. Simulations of Ion Velocity Distribution Functions Taking into Account Both Elastic and Charge Exchange Collisions // Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. № 2. 024001.
  26. Sydorenko D., Kaganovich I.D., Ventzek P.L.G. et al. Effect of Collisions on the Two-stream Instability in a Finite Length Plasma // Phys. Plasmas. 2016. V. 23. № 12. 122119.
  27. Al-Bataineh S.A., Szili E.J., Gruner P.J. et al. Fabrication and Operation of a Microcavity Plasma Array Device for Microscale Surface Modification // Plasma Processes Polym. 2012. V. 9. № 7. P. 638.
  28. Terauchi H., Bobrova N., Sasorov P. et al. Observation and Numerical Analysis of Plasma Parameters in a Capillary Discharge-produced Plasma Channel Waveguide // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. № 5. 053304.
  29. Eun C.K., Gianchandani Y.B. Microdischarge-based Sensors and Actuators for Portable Microsystems: Selected Examples // J. Quantum Electron. 2012. V. 48. № 6. P. 814.
  30. Demidov V.I., Adams S.F., Blessington J. et al. Short DC Discharge with Wall Probe as a Gas Analytical Detector // Contrib. Plasma Phys. 2010. V. 50. № 9. P. 808.
  31. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996. 240 с.
  32. Волкова Л.М., Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кралькина Е.А. Сравнение на основе аппаратных функций различных зондовых методов измерения энергетического распределения электронов в плазме // ТВТ. 1984. Т. 22. № 4. С. 757.
  33. Вольтерра В. Теория функционалов, интегральных и интегродифференциальных уравнений. М.: Наука, 1982. 304 с.
  34. Godyak V.A., Demidov V.I. Probe Measurements of Electron-Energy Distributions in Plasmas: What Can We Measure and How Can We Achieve Reliable Results? // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. № 23. 233001.
  35. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. М.: Наука, 1973. 304 с.
  36. Биберман Л.М., Воробьев В.С. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 375 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема экспериментального прибора: 1 – катод, 2 – анод, 3 – катодный нагреватель, 4 – теплозащитный экран, 5 – катодная микротермопара, 6 – охранная керамика из Al2O3, 7 – боковой проводящий экран, 8 – сеточный управляющий электрод.

Скачать (19KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема, поясняющая ориентацию цилиндрического зонда относительно оси симметрии плазмы.

Скачать (12KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение потенциала в зазорах прибора при PHe = 1 Торр: 1 – Uс = 0, 2 – Uс = –7 В.

Скачать (11KB)
Метаданные
5. Рис. 4. ВАХ сеточного стабилизатора при Uс = 0 (1, 4), –7 (2, 5) и –15 В (3, 6): 1–3 – PHe = 1 Торр, dк-с = 2 мм, dс-а = 5 мм; 4–6 – 0.6, 1.5, 4.

Скачать (13KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние конструкции УЭ на ВАХ при PHe = 1 Торр и Uс = 0: 1 – без сетки (диодный режим); 2 – тонкая сетка с ячейкой 150×150 мкм2; 3 – сетка объемной конструкции с ячейкой 200×200 мкм; 4 – три сетки (ячейка – 200×200 мкм2), наложенные одна на другую.

Скачать (9KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение средней энергии пучковых (1, 2) и тепловых (3) электронов (а) и скорости генерации ионов (б) в зазоре сетка–анод при PHe = 1 Торр, I = 0.4 А: 1 – Uс = –7 В, 2 – 0; масштаб энергий тепловых электронов увеличен в 5 раз.

Скачать (24KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Оптимизация параметров сеточного стабилизатора напряжения: (а) – при PHe = 1 Торр и Uс = –5 (1, 4), –10 (2, 5), –20 (3, 6), –30 В (7): 1–3 – dк-с = 0.5 мм, dс-а = 8 мм; 4–6 – 1.5, 1.5; 7 – 8, 2; (б) – при PHe = 0.5 Торр и Uс = –5 (1), –10 (2), –14 (3), –4 (4), –10 (5), –20 В (6): 1–3 – dк-с = 1.5 мм, dс-а = 10 мм; 4–6 – 1.5, 1.5; (в) – при PHe = 0.2 Торр и Uс = 0 (1), –5 (2), –15 (3), –20 В (4): dк-с = 1.5 мм, dс-а = 1.5 мм.

Скачать (28KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение ВАХ сеточного (1, 3) и диафрагменного (2, 4) [22] стабилизаторов при Uупр = –5 (1, 2), –15 В (3, 4) и PHe = 0.5 (1, 2), 0.2 Торр (3, 4).

Скачать (9KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Сравнение зависимостей стабилизируемого напряжения для сеточного (1) и диафрагменного (2) приборов: (а) – от PHe при Uупр = –15 В; (б) – от Uупр при PHe = 0.2 Торр.

Скачать (16KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025