Мощные первичные накопители с временем вывода энергии менее 1 мкс тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Общая характеристика работы.

Основное содержание работы.

1. Низкоиндуктивные искровые разрядники.

1.1. Разрядники с рабочим напряжением 90 кВ.

1.2. Разрядники с рабочим напряжением ± 100 кВ.

1.3. Разрядники с рабочим напряжением свыше 1MB.

1.4. Выводы.

2. Первичный накопитель по схеме Аркадьева - Маркса.

2.1. Генератор Маркса SYRINX/GSI.

2.1.1. Конструкция секции генератора и расчет переходного процесса.

2.1.2. Результаты испытания генератора.

2.2. Выводы.

3. Первичный накопитель по схеме линейного трансформатора тока.

3.1. Ступень LTD-1000.

3.2. Ступень LTD-450.

3.3. Ступень LTD-100.

3.4. Выводы.

4. Быстрые генераторы прямого действия.

4.1. Сильноточный генератор прямого действия для исследования быстропротекающих процессов.

4.1.1. Конструкция модуля генератора с выходным напряжением 1 MB.

4.1.2. Моделирование работы модуля генератора на нагрузку.

4.2. Генератор прямого действия для нагрузок типа Z-пинч.

4.2.1. Электрическая схема и состав генератора.

4.2.1.1. Оценка на основе RLC контура.

4.2.1.2. Конструкция генератора и схема для численного моделирования.

4.2.2. Результаты численного моделирования.

4.3. Выводы.

Мощность первичного накопителя определяется характеристиками импульсных конденсаторов, параметрами разрядников и конструкцией накопителя. Для лучших конденсаторов с энергоемкостью ~ 104 Дж время вывода энергии из конденсатора составляет - 300 не. Включение конденсаторов в схему первичного накопителя приводит к возрастанию индуктивности системы и увеличению времени вывода энергии до ~ 1 мкс. Таким образом, мощность первичного накопителя оказывается в несколько раз ниже мощности, которую может обеспечить импульсный конденсатор. Отсюда следует актуальность совершенствования как разрядников, так и всей конструкции первичного накопителя.

В настоящее время подавляющее большинство первичных накопителей энергии выполнены по схеме Аркадьева - Маркса. При этом обычно конденсаторы располагаются в металлических баках, которые выполняют роль обратного то-копровода, помехоподавляющего экрана и сосуда, удерживающего изолирующую среду. При этом, из-за наличия емкости конденсаторов на стенки бака, пусковая схема генератора Аркадьева-Маркса так или иначе привязана к его конструкции. Все это приводит к тому, что такие первичные накопители строятся, фактически, только для данной конкретной установки и при ее демонтаже не могут быть использованы по другому назначению. Таким образом, актуальной задачей является разработка первичных накопителей энергии гибкой конфигурации, которая позволяла бы произвольное последовательно-параллельное включение ступеней.

Целями диссертационной работы являлись:

1. Разработка и исследование низкоиндуктивных разрядников для первичных и промежуточных емкостных накопителей энергии.

2. Разработка первичного накопителя по схеме Аркадьева - Маркса с временем вывода энергии менее 1 мкс.

3. Разработка первичных накопителей гибкой конфигурации с временем вывода энергии менее 1 мкс.

4. Исследование возможности построения генераторов прямого действия для приложений, требующих введения энергии в нагрузку за время ~ 100 не.

Научная новизна:

1. Созданы многозазорные, многоканальные газовые разрядники, работающие в атмосфере сухого сжатого воздуха, имеющие индуктивность ~ 8,5 нГн и способные пропускать ток до ~ 1 МА при времени нарастания тока ~ 1 мкс. По совокупности параметров данные разрядники не имеют аналогов в мире.

2. Созданы многозазорные, многоканальные разрядники для промежуточных емкостных накопителей энергии с уровнем рабочего напряжения до 6 MB, в которых многоканальная коммутация происходит по всей длине разрядника.

3. Разработан проект генератора Маркса с энергозапасом 160 кДж и временем вывода энергии из конденсаторов в энергию магнитного поля 740 не.

4. Разработано несколько вариантов первичного накопителя по схеме линейного трансформатора тока в виде ступеней LTD (от Linear Transformer Driver), в которых конденсаторы, разрядники, первичный виток и обратный токопровод встроены в корпус ступени. Такая конструкция обеспечивает полную автономность ступеней, позволяя включать их последовательно или параллельно в зависимости от требований к установке. Изготовлены и исследованы ступени LTD с временем вывода энергии 950 не, 430 не и ~ 100 не.

5. Разработана конструкция модуля генератора прямого действия для исследования быстропротекающих процессов с выходным напряжением 1 MB, током 140 к А и длительностью импульса на уровне 80 % от максимума менее 70 не.

6. Проведен анализ сверхмощного генератора прямого действия для нагрузки типа Z-пинч, позволяющего перевести в кинетическую энергию оболочки ~ 10 МДж за время ~ 100 не при КПД свыше 20 %.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для равномерного распределения квазипостоянного зарядного напряжения по зазорам многозазорного разрядника может быть использован коронный разряд на отрицательных остриях, расположенных в каждом ряду промежуточных электродов.

2. Разработана конструкция генератора Маркса с обратным токопроводом в виде отрезков коаксиальной линии, проходящей от первой до последней ступени. Такая конструкция позволяет снизить индуктивность разрядного контура и время вывода энергии из генератора.

3. Разработан новый тип ступеней линейного трансформатора тока в виде ступени LTD, в которой конденсаторы, разрядники, первичный виток и обратный токопровод встроены в корпус ступени.

4. Показана возможность построения на базе ступеней LTD генераторов прямого действия для ряда применений, где в настоящее время используются исключительно установки с дополнительными ступенями повышения мощности.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в создании образцов газовых разрядников, предназначенных для использования в различных применениях с широким диапазоном рабочих напряжений и обладающих умеренной стоимостью при изготовлении и эксплуатации, а также компактных ступеней LTD, позволяющих создавать первичные накопители гибкой конфигурации, обеспечивающей возможность последовательно - параллельного переключения в зависимости от требований к установке. Практическая ценность генератора для исследования быстропротекающих процессов заключается в том, что он демонстрирует преимущества генераторов прямого действия там, где до настоящего времени применяются только установки с промежуточными ступенями повышения мощности.

Реализация результатов работы

Разрядники, генератор Маркса SYRINX/GSI и ступени LTD, разработанные в ходе выполнения данной работы, используются или использовались в:

1. Институте сильноточной электроники СО РАН

2. Лаборатории физики ионизованных сред (LPMI, Ecole Polytechnique, Франция)

3. Исследовательском Центре Грама ( CEG, Франция)

4. Компании ITHPP (Франция)

5. Лаборатории SANDIA (США)

На основе анализа сильноточного генератора для исследования быстропротекающих процессов подписан контракт с лабораторией SANDIA об изготовлении модуля генератора с выходным напряжением 1 MB.

Апробация работы и публикации

Материалы работы докладывались на научных семинарах Института сильноточной электроники СО РАН (г. Томск), Российско-американском совещании в РФЯЦ-ВНИИЭФ (октябрь 1999 года, г. Сэров), Международном рабочем совещании по продвинутым технологиям в импульсной технике в лаборатории SANDIA (январь 1999 года, г. Альбукерк), Совещании по сверхмощным генераторам для излучающих нагрузок в лаборатории Ktech (февраль 2000 года, г. Альбукерк); IX, XI Международной конференции по мощным пучкам частиц, XI - XIII Международных конференциях по мощной импульсной технике, XII Симпозиуме по сильноточной электронике.

Материалы диссертации опубликованы в 34-х печатных работах, список которых приведен в конце доклада.

Основное содержание работы

Диссертация состоит из 4-х частей и заключения. В первой части изложен материал, связанный с разработкой многозазорных, многоканальных газовых разрядников. Описаны принцип действия, конструкция и результаты испытаний разрядников для первичных и промежуточных емкостных накопителей. Вторая и третья части посвящены разработке первичных накопителей с временем вывода энергии менее 1 мкс. В начале второй части приведены некоторые результаты исследования индуктивных накопителей с ППТ микросекундного диапазона, указывающие на важность повышения мощности первичных накопителей и уменьшения времени вывода энергии, затем представлены конструкция, результаты численного моделирования и испытаний быстрого генератора Маркса SYRINX/GSI, имеющего время вывода энергии 750 не. В третьей части описаны первичные накопители в виде ступеней LTD с временем вывода энергии -1000, 450 и 100 не. Четвертая часть посвящена анализу генераторов прямого действия на базе ступеней LTD для исследования быстропротекающих процессов и нагрузки типа Z-пинч, включающие их конструкцию и результаты численного моделирования. В заключении приведены основные результаты работы и список публикаций автора по теме диссертации.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработаны образцы многозазорных газовых разрядников с рабочим напряжением от 90 кВ до ~ 6 MB, обеспечивающие многоканальную коммутацию

12 при скорости нарастания пускового импульса ~10 В/с. Некоторые из этих разрядников не имеют аналогов в мире по совокупности параметров.

2. Разработан проект генератора Маркса для установки SYRINX/GSI (Франция), имеющий энергозапас 160 кДж и время вывода энергии 740 не.

3. Разработана конструкция ступеней линейного трансформатора LTD, в которых конденсаторы и разрядники встроены в корпус ступени. Это позволило построить ступени LTD с временем вывода энергии ~ (100 - 1000) не и создать первичные накопители гибкой конфигурации, обеспечивающей возможность последовательно - параллельного переключения в зависимости от требований к установке.

4. Показано, что с использованием технологии построения мощных первичных накопителей на основе ступеней LTD имеется принципиальная возможность для создания генераторов прямого действия для таких приложений, где требуется ввести энергию в нагрузку за время существенно меньшее 1 мке, и где в настоящее время применяются исключительно схемы с промежуточными ступенями обострения мощности.

Автор считает приятным долгом выразить искреннюю благодарность и признательность академику Ковальчуку Б. М., которого считает своим учителем и без которого эта работа была бы невозможна, академикам Бугаеву С.П. и Месяцу Г.А. за внимание к работе и поддержку при подготовке диссертации, всем сотрудникам Отдела импульсной техники ИСЭ СО РАН за помощь и дружеское расположение. Автор благодарен Диллону Мак Даниэлу (SNL) и Махадевану Кришнану

AASC) за полезные дискуссии по многим вопросам, связанным с выполнением данной работы, а также Лорану Фрескалину (ITHPP) за помощь при решении всевозможных проблем.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Низкоиндуктивные многозазорные разрядники / Бастриков А.Н., Ким А.А., Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Кумпяк Е.В., Новиков А.А., Цой Н.В. // Изв. вузов. Физика, 1997, т. 40, № 12, с. 5-16.

2. Multigap, multichannel spark switches / Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kremnev V.V., Kumpjak E.V., Novikov A.A., Etlicher В., Frescaline L., Leon J.F., Roques В., Lassalle F., Lample R., Avrillaud G., Kovacs F. // Proc. XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 862-867.

3. Multi gap switch for Marx generators / B. Kovalchuk, A. Kim, E. Kumpjak, N. Zoi, J. Corley, D. Johnson, K. Struve // Abstr. XIII IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, 2001, P4-H02.

4. Многоканальный замыкающий разрядник для водяных накопителей / Волков С.И., Ким А.А., Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Синебрюхов В.А. // Известия вузов. Физика, 1999, т. 42, №12, с. 91-99.

5. MV multi channel closing switch for water storages / Volkov S.N., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kremnev V.V., Smebryukhov V.A.J/ Proc. XII IEEE Inter. Pulsed Power Conf., Monterey, California, 1999, p. 1179-1182.

6. Tests of 6-MV Triggered switches on APPRM at SNL / J. Corley, M. Dixon, D. Johnson, A. Kim, B. Kovalchuk, V. Sinebryukhov, S. Volkov, K. Hodge, S. Degnnan, M. Navarro, G. Avrillaud, F. Lassalle // Abstr. XIII IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, 2001,P4-H13.

7. Сильноточный плазмонаполненный диод в режиме плазменного прерывателя тока/ Абдуллин Э. Н., Баженов Г. П., Бастриков А. Н., Бугаев С. П., Ким А. А., Ковальчук Б. М., Кокшенев В. А., Ладыженский О. Б., Месяц Г. А., Сухушин К. Н.//Физика плазмы, 1985, т. 11, вып. 1,с. 109-110.

8. Плазменный прерыватель тока при микросекундных временах ввода энергии в индуктивный накопитель / Абдуллин Э. Н., Баженов Г. П., Ким А. А., Ковальчук Б. М., Кокшенев В. А. // Физика плазмы, 1986, т. 12, вып. 10, с. 728-730.

9. Исследование плазменного прерывателя тока на основе микросекундного плазмонаполненного диода / Абдуллин Э. Н., Баженов Г. П., Бастриков А. Н., Бугаев С. П., Ким А. А., Ковальчук Б. М., Кокшенев В. А., Родионов Н. Е. // Изв. вузов. Физика, 1988, т. 31, вып. 4, с. 112-113.

10.The investigation of microsecond plasma opening switch modifications on the GIT-4 generator / Bastrikov A. N., Bugaev S. P., Volkov A. M., Kim A. A., Kovalchuk B. M., Kokshenev V. A., Mesyats G. A., Yakovlev V. P. // Proc. Intern. Workshop on Physiks and Technique on High Power Opening Switches, Novosibirsk, 1989, p.

113-125.

11.High current pulsed power generator GIT-16 / Kovalchuk В. M., Bugaev S. P., Volkov A. M., Kim A. A., Kiselev V. N., Kovsharov N. F., Kokshenev V. A., Mesyats G. A., Khuzeev A. P. // Proc. IXth Intern. Conf. on High-Power Particle Beams, Washington, 1992, V. 1, p. 394-402.

12.Холловская МГД-модель микросекундного плазменного прерывателя тока и ее приложение к экспериментам на установках ГИТ / Чуватин A.C., Ким A.A., Кокшенев В.А., Логинов С.В. // Изв. вузов. Физика, 1997, т. 40, № 12, с. 56-66.

13.Microsecond plasma opening switches / Mesyats G.A., Bugaev S.P., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kokshenev V.A. // IEEE Trans. Plasma Sei., 1987, V. PS-15, No. 6, p. 649-653.

14.A terawatt pulsed-power generator with a microsecond plasma-opening switch / Bugaev S.P, Volkov A.M., Iskol'dsky A.M., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kokshenev V.A., Mesyats G.A., Novikov A.A., Yakovlev V.P // IEEE Trans. Plasma Sei., 1990, V. 18, No. l,p. 115-118.

15.Микросекундные плазменные прерыватели тока / Быстрицкий В.М., Месяц Г.А., Ким A.A., Ковальчук Б.М., Красик Я.Е. // Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1992, Т. 23, вып. 1, с. 19-57.

16.The influence of the B-field on MPOS performance / Kim A.A., Getman D.V. // Proc. IXth Intern. Conf. on High Power Particle Beams, Washington, 1992, V. 1, p. 586-591.

17.Compact high voltage inductive generator for surface engineering with ion beams / Kim A., Kovalchuk В., Choi P. // J. Tech. Phys., 1998, V. 39, Special Suppl., p. 6366.

18.Плазменные прерыватели тока (состояние исследований и проблемы) / Ковальчук Б.М., Ким A.A. // Инженерно-физический журн., 1992, т. 62, № 5, с. 720-722.

19.Исследование вариантов передающей линии плазменный прерыватель - нагрузка / Бастриков А.Н., Жерлицын A.A., Ким A.A., Ковальчук Б.М., Логинов С.В., Яковлев В.П. // Известия вузов. Физика, 1999, т. 42, №12, с. 20-25.

20.Эксперименты на ГИТ4 с включением нагрузки до плазменного прерывателя / Бастриков А.Н., Жерлицын A.A., Ким A.A., Ковальчук Б.М., Логинов С.В., Яковлев В.П. // Известия вузов. Физика, 1999, т. 42, №12, с. 31-35.

21 .Experiments on GIT4 with load upstream from the POS / Bastrikov A.N., Zherlitcin A.A., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Logmov S.V., Yakovlev V.P. // Proc. XII IEEE Inter. Pulsed Power Conf., Monterey, California, 1999, p. 1191-1194.

22.Быстрый первичный накопитель на основе генератора Аркадьева-Маркса / Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Ким A.A., Манылов В.И., Лассаль Ф., Аврилье Ж, Байол Ф., Кассани Б., Фуссэ А., Ковакс Ф., Лампль Р., Леон Ж.Ф., Монжо Ф., Моррель А., Рок Б., Вэзинэ Р. // Изв. вузов. Физика, 1997, т. 40, № 12, с. 17-24.

23.SYRINX project: first results with a 160 kJ, 700 ns fast Marx module / Lassalle F., Avrillaud G., Monjaux P., Foussat A., Lample R., Roques В., Kovacs F., Leon J.F.,

Kovalchuk В., Kim A. // Proc. XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 627-635.

24.SYRINX project: design of the GSI, a 640 kJ inductive energy storage generator / Avrillaud G., Lassalle E, Bayol R, Foussat A., Kovacs F., Lample R., Leon J.F., Mechenin J., Monjaux P., Morell A., Roques В., Vezinet R., Kovalchuk В., Kim A., Cassany В., Frescaline L. // Proc. XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 679-686.

25.SYRINX - a research program for the pulsed power radiation facility / Etlicher В., Chuvatin A., Choi P., Frescaline L., Aranchuk L., Cassam В., Avrillaud G., Frolov V., Rouille C., Auvray P., Semushin S., Dimitresku-Zoita C., Leon J.F., Kovacs F., Monjaux P., Lassalle F., Bayol F., Johan A., Kovalchuk В., Kim A. // Proc. XI Inten. Conf. on High Power Particle Beams, Prague, 1996, p. 276-283.

26.Быстрый первичный накопитель на основе линейного импульсного трансформатора / Ковальчук Б.М., Визирь В.А., Ким А.А., Кумпяк Е.В., Логинов С.В., Бастриков А.Н., Червяков В.В., Цой Н.В., Монжо Ф., Хьюи Д. // Изв. вузов. Физика, 1997, т. 40, № 12, с. 25-37.

27.Fast primary energy storage based on linear transformer scheme / Bastrikov A. N., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kumpjak E.V., Loginov S.V., Manylov B.I., Visir V.A., Yakovlev V.P., Etlicher В., Frescaline L., Leon J.F., Monjaux P., Kovacs F., Huet D., Bayol F. // Proc. XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 489-497.

28.SYRINX project: first results with a 640 kJ LTD accelerator / Monjaux Ph., Huet D., Leon J. F., Kovacs F., Kovalchuk В., Kim A. // Proc. XI IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 687-697.

29.Увеличение мощности линейного трансформатора посредством последовательного включения плазменных прерывателей тока / Бастриков А.Н., Жерли-цын А.А., Ким А.А., Ковальчук Б.М., Логинов С.В., Яковлев В.П. // Известия вузов. Физика, 1999, т. 12, №12, с. 9-14.

30.Ступень линейного трансформатора с током 750 кА и временем нарастания тока 400 не / Ким А.А., Ковальчук Б.М., Кумпяк Е.В., Цой Н.В. // Известия вузов. Физика, 1999, т. 12, №12, с. 3-8.

31.0.75 МА, 400 ns rise time LTD stage / Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kumpjak E.V., Zoi N.V.// Proc. XII IEEE Inter. Pulsed Power Conf., Monterey, California, 1999, p. 955-958.

32.10 stage LTD for e-beam diode / Kovalchuk В. M., Kim A. A., Kumpjak E. V., Zoi N. V., Zorm V. B. // Abstr. XIII IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, 2001, P3-I02.

33.100 ns current rise time LTD stage / Kim A.A., Kovalchuk В. M., Bastrikov A.N., Durakov V. G. // Abstr. XIII IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, 2001, P3-103.

34.High power direct driver for Z-pinch loads / Kim A.A., Kovalchuk B.M. // Proc. 12th Symp. High Current Electronics, Tomsk, 25-29 September 2D00, p. 263-267.

Заключение