Сеточный стабилизатор напряжения на базе пучковой плазмы

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. Ю. Грабовский

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Author for correspondence.
Email: schwer@list.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

А. С. Мустафаев

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Email: schwer@list.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Е. В. Штода

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Email: schwer@list.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the experimental device: 1 – cathode, 2 – anode, 3 – cathode heater, 4 – heat shield, 5 – cathode microthermocouple, 6 – Al2O3 protective ceramics, 7 – side conductive screen, 8 – grid control electrode.

Download (19KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schematic diagram explaining the orientation of the cylindrical probe relative to the plasma symmetry axis.

Download (12KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Potential distribution in the gaps of the device at PHe = 1 Torr: 1 – Uс = 0, 2 – Uс = –7 V.

Download (11KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. I-V characteristics of the grid stabilizer at Uс = 0 (1, 4), –7 (2, 5) and –15 V (3, 6): 1–3 – PHe = 1 Torr, dк-с = 2 mm, dс-а = 5 mm; 4–6 – 0.6, 1.5, 4.

Download (13KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Effect of the UE design on the I–V characteristics at PHe = 1 Torr and Uс = 0: 1 – no grid (diode mode); 2 – thin grid with a cell of 150×150 μm2; 3 – grid of a volumetric design with a cell of 200×200 μm; 4 – three grids (cell – 200×200 μm2), superimposed on one another.

Download (9KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distribution of the average energy of beam (1, 2) and thermal (3) electrons (a) and the ion generation rate (b) in the grid–anode gap at PHe = 1 Torr, I = 0.4 A: 1 – Uс = –7 V, 2 – 0; the scale of thermal electron energies is increased by 5 times.

Download (24KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Optimization of the grid voltage stabilizer parameters: (a) – for PHe = 1 Torr and Uс = –5 (1, 4), –10 (2, 5), –20 (3, 6), –30 V (7): 1–3 – dк-с = 0.5 mm, dс-а = 8 mm; 4–6 – 1.5, 1.5; 7 – 8, 2; (b) – for PHe = 0.5 Torr and Uс = –5 (1), –10 (2), –14 (3), –4 (4), –10 (5), –20 V (6): 1–3 – dк-с = 1.5 mm, dс-а = 10 mm; 4–6 – 1.5, 1.5; (c) – at PHe = 0.2 Torr and Uс = 0 (1), –5 (2), –15 (3), –20 V (4): dк-с = 1.5 mm, dс-а = 1.5 mm.

Download (28KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Comparison of the I-V characteristics of the grid (1, 3) and diaphragm (2, 4) [22] stabilizers at Uупр = –5 (1, 2), –15 V (3, 4) and PHe = 0.5 (1, 2), 0.2 Torr (3, 4).

Download (9KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Comparison of the dependences of the stabilized voltage for the grid (1) and diaphragm (2) devices: (a) – on PHe at Uупр = –15 V; (b) – on Uупр at PHe = 0.2 Torr.

Download (16KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences