Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD) с масляной изоляцией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Синебрюхов Вадим Анатольевич

Быстрые ступени линейного трансформатора

(LTD) с масляной изоляцией

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 о ДЕК 2009

Томск - 2009

003487302

Работа выполнена в учреждении Российской Академии наук Институте сильноточной электроники СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Ким Александр Андреевич (ИСЭ СО РАН, г. Томск)

Официальные оппоненты: ' доктор технических наук,

Филатов Александр Леонидович (Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург)

доктор технических наук, старший научный сотрудник Абдулин Эдуард Нуруллович (ИСЭ СО РАН, г. Томск)

Ведущая организация: Государственный Научный Центр

Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований г. Троицк, Московской области.

Защита состоится ^<28»^РХДб'/'Д 200Зг. в-&~~час на заседании диссертационного совета Д 003.031.02 при Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический 2/3.

Автореферат разослан «26» 2009 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

И. о. учёного секретаря диссертационного Совета доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На современном этапе развития импульсной техники остро стоит вопрос создания установок, способных передать в нагрузку за время -100 не энергию мегаджоульного диапазона. Традиционная технология формирования мощных наносекундных импульсов предусматривает использование многомодульной системы, где каждый модуль включает первичный накопитель энергии в виде генератора Маркса, разряжающийся за время ~1 мке на промежуточный емкостной накопитель в виде водонаполненной линии, которая через мегавольтный разрядник с лазерным запуском разряжается на передающую линию и далее на общую нагрузку. Эта технология отрабатывалась в течение последних ~30 лет на многочисленных установках, ее работоспособность доказана при уровне выходной мощности до ~60 ТВт (современный генератор ZR в лаборатории Сандия, США).

В то же время, опыт эксплуатации современных установок показывает, что выходная мощность ~60 ТВт является, по-видимому, предельной для описанной традиционной технологии. При дальнейшем повышении мощности основные проблемы возникают (W.A. Styger, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.10, 030401, 2007) из-за необходимости поддержании требуемого качества воды, высокой вероятности выхода из строя мегавольтных разрядников (~1%), малого времени жизни системы их лазерного запуска (—100 выстрелов) и необходимости ее юстировки перед каждым выстрелом.

В связи с изложенным, актуальной задачей современной импульсной техники является поиск альтернативных принципов построения мощных импульсных генераторов. С середины 90-х годов прошлого века в ИСЭ СО РАН разрабатывается технология построения мощных импульсньк генераторов индукционного типа, получивших название LTD-генераторы (от английского Linear Transformer Driver). LTD-генераторы представляют собой первичный накопитель энергии, способный без каких-либо промежуточных накопителей передать в согласованную нагрузку импульс электрической энергии с временем нарастания порядка 100 не и менее. Основным элементом такого генератора является индуктор, включающий в себя первичный накопитель энергии и получивший название «ступень LTD». Данная диссертационная работа посвящена созданию и исследованию двух типов быстрых ступеней LTD и искровых разрядников, которые в них используются для коммутации первичного накопителя на нагрузку.

Цели и задачи исследования

1. Исследование коммутационной характеристика газовых разрядников быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией и определение ее влияния на параметры разрядного контура ступени.

2. Определение предельных возможностей по снижению длительности выходного импульса быстрых ступеней LTD за счет снижения емкости накопительных конденсаторов.

3. Разработка быстрой ступени LTD, позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью -100 ГВт при токе ~ 1 МА, нарастающий за время ~100 не.

4. Разработка быстрой ступени LTD, позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт при токе -200 кА, нарастающий за время ~40 не.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и исследована быстрая ступень 1 MA LTD, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью -100 ГВт и током -1 МА, нарастающий за время -100 не.

2. Разработана и исследована быстрая ступень LTD16-8, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью -20 ГВт и током -200 кА, нарастающий за время ~40 не (при длительности -75 не на полувысоте импульса напряжения).

3. Уменьшение длительности выходного импульса быстрых ступеней LTD за счет снижения емкости накопительных конденсаторов производства компании General Atomics до - единиц нФ ведет к снижению эффективности передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку на -5%. С помощью технологии LTD можно строить установки с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до - 30 не и эффективностью до ~70%.

4. При проектировании LTD-генераторов, построенных на быстрых ступенях LTD с масляной изоляцией с конденсаторами производства General Atomics емкостью 8-40 нФ, можно использовать линейный /JLC-контур, эквивалентный параллельному включению секций на нагрузку и импеданс сердечника в предположении, что полная индуктивность секции и сопротивление разрядника постоянны и равны 240 нГн и 0.12 Ом, соответственно.

Научная новизна

1. Показано, что несовершенство коммутационной характеристики искрового разрядника эквивалентно внесению в разрядный контур накопителя не только сопротивления, но и индуктивности, величина которой зависит от тока, протекающего через разрядник.

2. Показано, что эффективность передачи энергии быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией в согласованную нагрузку составляет -70-75% и определяется, в основном, потерями энергии в использованных накопительных конденсаторах и ферромагнитных сердечниках.

Показано, что достигнутая нестабильность включения искровых многозазорных разрядников позволяет создавать ступени LTD в составе 40-ка параллельных секций, обеспечивающих выходной импульс с временем

нарастания -100 не, и в составе 16-ти параллельных секций, обеспечивающих выходной импульс с временем нарастания ~50 не.

4. Продемонстрирована работа модуля в составе 5-ти ступеней 1 MA LTD в режиме ЛИТ на нагрузку в виде вакуумного электронного диода.

Практическая значимость

Электрические параметры ступени IMA LTD, разработанной в ходе данной диссертационной работы, позволяют рассматривать ее в качестве основного элемента для создания LTD-генератора с выходной мощностью -1000 ТВт для проведения исследований в области инерциального термоядерного синтеза на основе Z-пинчей (W.A. Styger, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.10, 030401, 2007). В 2007 году одна такая ступень поставлена в лабораторию плазмы, импульсной техники и СВЧ-излучения университета Мичиган, США. В 2008 г. ступени 1 MA LTD в количестве 10 шт. поставлены в Лабораторию Сандия, США.

Ступень LTD 16-8, разработанная в ходе данной работы, поставлена для изучения и проведения дополнительных исследований в компанию ITHPP, Франция.

Апробация и достоверность результатов работы

Материалы работы докладывались на научных семинарах Института сильноточной электроники СО РАН, на 13-м (Томск, 2004 г.) и 14-м (Томск,

2006 г.) Международных симпозиумах по сильноточной электронике; на 14-й (Альбукерк, 2002 г.) и 15-й (Санкт-Петербург, 2005 г.) Международных конференциях по мощным пучкам заряженных частиц; на 16-й (Альбукерк,

2007 г.) и 17-й (Вашингтон, 2009 г.) Международных конференциях по импульсной технике; на 4-м (Нагаока, 2003 г.) Международном симпозиуме по применениям импульсной техники и плазмы; на 12-й (Новосибирск, 2008 г.) Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в проектировании, исследованиях и анализе результатов экспериментов с разрядниками типа Fast LTD, быстрыми ступенями IMA LTD и LTD16-8. При его активном участии проводились все физические эксперименты на установках, созданных на основе быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией в ИСЭ СО РАН.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано: 3 статьи в научных журналах, 10 докладов в материалах Международных симпозиумов и конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. Полный объём диссертации составляет 103 страницы, включая 55 рисунков, 3 таблицы, два приложения и список литературы из 54-х наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется её цель, перечисляются результаты, представляющие научную и практическую ценность, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе описаны известные типы индукционных генераторов, рассмотрены основные схемы их включения и конструктивные особенности.

В индукционных генераторах используется закон электромагнитной индукции, согласно которому изменение потока индукции ср в полости разрезанного тороидального экрана (индуктора) приводит к появлению на разрезе электродвижущей силы, пропорциональной скорости изменения потока индукции, e-dj/dt. Изменение потока индукции в полости индуктора достигается в результате тороидального разряда в первичном контуре, расположенном внутри этой полости. К индукционным генераторам относятся линейные индукционные ускорители (ЛИУ), линейные импульсные трансформаторы (ЛИТ), индукционные сумматоры напряжения (IVA-генераторы) и LTD-генераторы. Важным свойством всех индукционных генераторов является то, что в момент срабатывания их индукторы имеют нулевой потенциал.

LTD-генераторы (рис. 1) имеют несколько индукторов, получивших название «ступени LTD». LTD-генераторы начались с идеи Б.М. Ковальчука использовать индукционный генератор в качестве первичного накопителя для генератора с промежуточным индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока. В качестве одного из основных достоинством такого генератора рассматривалось отсутствие изолятора на полное выходное напряжение, другим важным достоинством считалась возможность управляемого запуска ступеней, поскольку все они в момент выстрела имеют нулевой потенциал.

UJ-NB

N степенен LTD N ступеней LTD

Рисунок 1. LTD-генератор: слева - в режиме ЛИТ, справа - в режиме IVA.

Ступени LTD отличаются от индукторов других типов индукционных генераторов тем, что емкостные накопители, питающие их первичные контуры, целиком расположены внутри самих ступеней. Это конструктивное отличие имеет важнейшие следствия, поставившие LTD-генераторы в ряд наиболее перспективных типов генераторов для создания импульсных установок нового поколения - компактность, простоту конструкции и возможность использования в режиме IVA. В режиме IVA LTD-генератор представляет собой генератор прямого действия, позволяющий без искажения формы передать на согласованную нагрузку умноженный на число ступеней импульс напряжения, формируемый емкостным накопителем каждой ступени.

С практической точки зрения представляют интерес быстрые ступени LTD, позволяющие получать на согласованной нагрузке импульсы тока с амплитудой ~1 МА, нарастающие за -100 не, а также с амплитудой -200 кА, нарастающие за -50 не.

Малая длительность выходного импульса быстрых ступеней LTD в значительной мере определяется использованием накопительных конденсаторов с пониженной емкостью. Этот метод имеет ряд очевидных ограничений, связанных со снижением эффективности генератора и повышением требований к стабильности включения разрядников и надежности всей элементной базы при уменьшении длительности выходного импульса. В связи с этими ограничениями, к моменту начала данной работы было не очевидно, что существует реальная возможность создания ступеней LTD с параметрами, представляющими интерес для их практического применения в мощных импульсных установках нового поколения.

Первичный накопитель ступени LTD состоит из параллельных секций, каждая из которых включается на нагрузку своим искровым разрядником. В быстрых ступенях LTD с масляной изоляцией используются разрядники типа Fast LTD, исследованию коммутационной характеристики такого разрядника посвящена вторая глава.

Конструкция этого разрядника показана на рис. 2, это 6-ти зазорный управляемый разрядник, предназначенный для работы в трансформаторном масле при зарядном напряжении до ±100 кВ в атмосфере сухого воздуха с давлением до 4 ата. ,

Для распределения зарядного напряжения по зазорам разрядника используется коронный разряд. На рис. 3. приведены вольт-амперные характеристики коронного разряда в положительной и отрицательной половинах разрядника в зависимости от давления сухого воздуха. Эквивалентное сопротивление коронного разряда имеет порядок ~ 2 ГОм на зазор.

50

40

30

<

20

10

0

20 40 60 „ <0 100

и, кУ

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики коронного разряда с отрицательных острий длиной 6 мм в половинах разрядника в зависимости от давления сухого воздуха.

Запуск разрядника осуществляется подачей пускового импульса на средний промежуточный электрод, который при зарядке имеет нулевой потенциал.

Коммутационная характеристика разрядника исследовалась в контуре, содержащем два конденсатора ОА35436 (8 нФ, 100 кВ), заряженных в противоположной полярности, которые при срабатывании разрядника включались последовательно на резистивную нагрузку ^ ~ 5-20 Ом, выполненную в виде набора резисторов ТВО-20. Напряжение на нагрузке регистрировалось с помощью высоковольтного делителя напряжения и использовались в дальнейшем для сравнения с расчетами, для которых использовалась программа РБр^е.

Было проведено две серии расчетов. В первой серии разрядный контур, включая разрядник, замещался эквивалентной схемой на линейных элементах, показанной на рис. 4. Здесь С2 -емкость двух последовательно включенных конденсаторов, заряженная до напряжения где —

амплитуда зарядного напряжения каждого конденсатора, Я2 - внутреннее сопротивление конденсаторов, — индуктивность конденсаторов, Ь^ — индуктивность нагрузки, резистор 114 Ом - эквивалентное сопротивление

делителя напряжения. Постоянные ^у и — сопротивление и

индуктивность разрядника, которые определялись из сравнения расчетных

Рис. 4. Схема ЯЬС-контура на линейных элементах, использованная для определения эквивалентных сопротивления и индуктивности ¿sw разрядника в зависимости от протекающего через него тока.

120 100

80

I 40 20 0 -20

0 100 200 300 400

Время, не

Рис. 5. Расчетная и экспериментальная осциллограммы напряжения на нагрузке £¿=8.7 Ом при {/¡¡=100 кВ по окончании итерационного процесса при Ляс =0.2 Ом, ¿хи'=70 нГн.

осциллограмм напряжения на нагрузке с зарегистрированными в эксперименте. На рис. 5 показаны, для примера, расчетная и экспериментальная осциллограммы при £/г=100 кВ, =8.7 Ом по окончании итерационного процесса сравнения при Дш/= 0.2 Ом, /,¿^=70 нГн.

Описанная первая серия расчетов показала, что эквивалентные сопротивление и индуктивность разрядника падают при увеличении протекающего по нему тока (рис. 6 и 7, соответственно).

Если падения сопротивления можно было ожидать, то падение индуктивности разрядника с ростом тока требовало объяснения. Для этого была выполнена вторая серия расчетов с использованием схемы с нелинейными элементами, показанная на рис. 8.

1,5

1

0,5 0

4 б 8 10 12 14 16 18

Ток, кА

Рис. 6. Зависимость эквивалентного сопротивления разрядника от

протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при Т^-ЮО кВ, черными квадратами - при 90 кВ, черными треугольниками - при 80 кВ, серыми квадратами - при 70 кВ, черным точками - при 60 кВ.

Я 140

5= 120

1л

-> 100

га 60 40

4 6 8 10 12 14 16 18

Ток, кА

Рис. 7. Зависимость эквивалентной индуктивности разрядника от

протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при и$=Ю0 кВ, черными квадратами - при 90 кВ, черными треугольниками — при 80 кВ, серыми квадратами - при 70 кВ, черным точками - при 60 кВ.

\

я 1 1

▲

Л ■

д — ~2 Си

»— \ \

1ПЩ д—

*

Здесь разрядник представлен в виде индуктивности - 60 нГн (минимальное значение, к которому сходятся индуктивность разрядника при больших токах) и блока 111311, представляющего собой нелинейное сопротивление разрядника рассчитанное согласно

*дг(0 = ^т-1-74-10-5/'/3* , (1)

5(0<Г

\Krfdr

где р - давление сухого воздуха в разряднике в ата, ¿/=3.6 см - суммарная длина искрового промежутка, / —ток через разрядник вА,( - время в с, /?вя-сопротивление в Ом. Отметим, что при а = 2/3 выражение (1) совпадает с сопротивлением искрового канала в сухом воздухе по модели С.И. Брагинского.

Рис. 8. Схема Рэрюе, моделирующая разрядник в виде последовательного включения постоянной индуктивности ¿я|/ и нелинейного сопротивления Квк, рассчитанного по (1) при от = 0.85.

Вторая серия расчетов показала, что при а = 0.85 результаты расчета с точностью не хуже ±10% (по величине зарядного напряжения) позволяют воспроизвести (как на рис. 5) все осциллограммы напряжения на нагрузке, полученные в эксперименте, т.е. объяснить графики, представленные на рис. 6 и 7. Соотношение (1) представляет собой коммутационную характеристику разрядника, при этом идеальному разряднику соответствует а = со (при этом сопротивление Rbr обращается в нуль при любом отличном от нуля токе). Конечная величина а свидетельствует о несовершенстве коммутационной характеристики, что проявляется во внесении в разрядный контур, как дополнительного сопротивления, так и дополнительной индуктивности, зависящих от протекающего по разряднику тока.

Схема на рис. 8 (без резистора 114 Ом) при а — 0.85 была использована для определения потерь энергии в разряднике и эффективности передачи энергии в согласованную нагрузку в зависимости от емкости накопительных конденсаторов секции. Расчет проводился для определения того, насколько коммутационная характеристика разрядника ограничивает возможность снижения длительности выходного импульса ступеней LTD за счет снижения емкости конденсаторов. Результаты расчета приведены в Таблице 1, где С2 -эквивалентная емкость двух последовательно включенных накопительных конденсаторов, каждый из которых заряжен до напряжения Us = 100 кВ, RM -согласованная нагрузка (т.е. нагрузка, на которой мощность достигает максимального значения Ршх)> ТФ — длительность фронта импульса напряжения на нагрузке, Е0 — запасенная энергия, Ею - энергия потерь в сопротивлении конденсаторов R2, ESw — энергия потерь в разряднике, ERM -энергия, переданная в нагрузку Ru, 7]ю = 100-ER2/E0 - доля потерь полной энергии в сопротивлении конденсаторов, t]sw = 100-ESH/EQ - доля потерь полной энергии в разряднике, т] = 100-Ем./Е0 - эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку RM.

Таблица 1. Характеристики нелинейного ЯЬС-контура на рис. 8 при разряде на согласованную нагрузку в зависимости от емкости накопительных конденсаторов.

с2 Rm Рмлх Тф Ев Er2 Esw Erm 1r2 Isiv п

нФ Ом МВт не Дж Дж Дж Дж % % %

40 2.607 4390 93.66 800 142.5 38.42 619 17.8 4.8 77.4

20 3.496 3236 70.13 400 54.69 26.41 318.7 13.7 6.6 79.7

10 4.76 2323 52.43 200 20.36 17.78 161.6 10.2 8.9 80.8

4 7.30 1445 35.83 80 5.284 10.22 64.28 6.6 12.8 80.3

2 10.24 982 26.93 40 1.840 6.57 31.47 4.6 16.4 78.7

1 14.5 651 20.33 20 0.630 4.14 15.185 3.15 20.7 75.9

Из таблицы 1 следует, что при уменьшении С] доля потерь энергии в разряднике увеличивается, а доля потерь энергии в сопротивлении конденсаторов падает. В результате этих двух противоположных тенденций эффективность передачи энергии в согласованную нагрузку контура остается на примерно одном и том же уровне (~76-81%). При С2 = 20 нФ схема на рис. 8 примерно соответствует схеме секции с конденсаторам GA35426 (40 нФ, 0.27 Ом, 25 нГн, 100 кВ), которые используются в ступени LTD, описанной в Главе 3. При С^ = 4 нФ схема на рис. 8 примерно соответствует схеме секции с конденсаторами GA35436 (8 нФ, 0.3 Ом, 35 нГн, 100 кВ), которые используются в ступени LTD, описанной в Главе 4. Из таблицы следует, что в том и другом случае предельная эффективность перевода энергии из накопителя в согласованную нагрузку примерно одинакова и составляет ~80%. Эти расчеты подтверждаются экспериментами (см. далее), в которых получена эффективность ступеней LTD на уровне -70-75%.

Из таблицы 1 следует, что при снижении емкости конденсаторов до единиц нФ эффективность остается на уровне ~75%. При = 1 нФ напряжение на согласованной нагрузке равно -97 кВ, длительность импульса на полувысоте -30 не. Таким образом, с помощью технологии LTD можно строить установки с

с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до - 30 не и эффективностью до -70%.

В третьей главе дано описание, а также результаты испытаний и моделирования быстрой ступени LTD (ступень IMA LTD) с мощностью -100 ГВт и током ~1 МА, нарастающим в согласованной нагрузке за время ~100 не.

Рис. 9. Конструкция ступени IMA LTD: 1 - индуктор, 2 - разрядник типа Fast LTD, 3 -пусковой провод, 4 - центральный изолятор, 5 - конденсаторы секции (GA 35426), 6 -один из двух боковых изоляторов, 7 - ферромагнитный сердечник, 8 - изолятор масло-вакуум, 9 - разрез индуктора.

Ступень IMA LTD содержит 40 идентичных секций, расположенных равномерно вокруг оси ступени. Каждая секция состоит из двух конденсаторов GA35426 (100 кВ, 40 .нФ, 25 нГн, 0.27 Ом ), искрового разрядника типа Fast LTD и плоских шин, соединяющих конденсаторы

секции с разрезом индуктора. На рис. 9 показано сечение ступени в плоскости одной из секций, на рис. 10 - фотография ступени при снятом боковом фланце и изоляторе. Ступень имеет форму диска с внешним диаметром ~3 м и высотой ~22 см. Полный вес ступени, заполненной трансформаторным маслом, составляет ~2.5 тонны.

Ступень 1 MA LTD испытывалась с низкоиндуктивной резистивной нагрузкой, выполненной в виде кольцевой полости вблизи разреза индуктора, заполненной водным раствором NaCl. В ходе испытаний регистрировались: ток через нагрузку IL - калиброванным магнитным зондом; активная составляющая напряжения на нагрузке UL - с помощью выносного резистивного делителя напряжения с входным сопротивлением 75 Ом; ток в контуре сердечника - калиброванным магнитным зондом. Сопротивление нагрузки рассчитывалось как RL = Ui/IL, величина RL варьировалась в пределах -0.05-0.2 Ом изменением концентрации NaCl в растворе. Отметим, что в описываемых испытаниях использовалась самая первая ступень типа IMA LTD, у которой ферромагнитные кольца были намотаны анизотропной электротехнической ленты марки ЭТ3425 толщиной 80 мкм, при этом полное сечение стали в сердечнике равнялось 5 = 56 см2. Вольт-секундный интеграл этого сердечника при пассивном подмагничивании равнялся VS£ = 18мВ ■ с.

Рис.10. Фотография ступени IMA LTD в процессе сборки.

Результаты испытаний при зарядном напряжении t/s=±100 кВ приведены на рис. 11-14 в виде зависимости амплитуды импульса напряжения на нагрузке, максимальной мощности в нагрузке, длительности фронта импульса мощности на нагрузке, и энергии, выделенной в нагрузке, от величины сопротивления нагрузки RL.

i

S 100

0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 Сопротивление, Ом

Рис. 11. Напряжение на нагрузке.

\7

• »

\ N

N ч

я Ч • •••

0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 Сопротивление, Ом

W 1

■ t

|\

S

/ • \

/ \

\ г*

0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 Сопротивление, Ом

Рис. 12. Мощность на нагрузке.

'f • •• • 1 V х

л а ч • \

/

t •• •

1

1

0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 Сопротивление, Ом

Рис. 13. Время нарастания импульса Рис. 14. Энергия El, поглощенная в

мощности на нагрузке. нагрузке.

Точками показаны экспериментальные данные, сплошными кривыми -результаты расчетов в Pspice, описанные ниже. Выходная мощность достигает максимума ~ 96 ГВт при RL ~ 0.1 Ом, указывая, что данная нагрузка является согласованной для разрядного контура ступени IMA LTD. Напряжение на такой согласованной нагрузке составляет -100 кВ (ток -1 МА), длительность фронта импульса мощности на нагрузке - 90 не.

На рис. 14 энергия, поглощенная в нагрузке, рассчитана по формуле:

la

■ EL = \ULILdt, (2)

о

где, ta — момент времени, когда напряжение на нагрузке первый раз

обращается в нуль. В согласованном режиме при Л/. ~ 0.1 Ом эта энергия достигает максимума Еь ~ 11.4 кДж, что соответствует эффективности передачи энергии из накопителя в нагрузку т) ~ 71%. При больших энергия Еь уменьшается, причем в эксперименте это падение происходит заметно быстрее, чем в расчете. Результаты испытаний (см. рис. 15-16) позволяют утверждать, что это расхождение происходит из-за насыщения сердечника ступени при больших которое не учитывалось при расчетах в РБрке.

120-,

100 * 80

£ 60 S

I 40 а.

I 20

о -20

200 300

Время, не

Рис. 15. Напряжение на нагрузке и ток в контуре сердечника, а также вольт-секундный интеграл от напряжения на нагрузке в выстреле при Ri~ 0.107 Ом.

160-, 400-г

140- 350

120- 300-

3 100- 250

1 .01 60- •£200-§150

S 40- X 20- '"юо- 50

0 0-

-20- 0

>—О—i -

) 7»-

s

г ' ~П к—

га -Л-

у J

4 ¡•Чгг» Í->nnnf irYA/1

24

21 Ь

18 i а.

15 |

12 =

>S

9 I

6 I

u is

3 I 0 §

100

200

300

400

500

-3 600

Время, не

Рис. 16. Те же осциллограммы, что на рис.15, но при 0.188 Ом. Повышение выходного напряжения при более высоком ведет к росту вольт-секундного интеграла свыше УБр — 18л*ВЕЬ, при этом сердечник насыщается, ток /; в контуре сердечника увеличивается, длительность выходного импульса и энергия Е^ уменьшаются.

Сплошные кривые на рис. 11-14 дают результаты расчетов выходных характеристик ступени IMA LTD, выполненных в PSpice для линейного RLC контура, показанного на рис. 17.

Ц R-]

C=j=2U

J-2-

rcore

Рис. 17. Эквивалентный линейный RLC контур ступеней LTD.

Для ступени IMA LTD параметры этого контура принимались равными:

С = 800 нФ =0.5CkN, Ск = 40 нФ - емкость конденсатора

GA35426, TV — 40 — число секций в ступени IMA LTD; {/0=ЮО кВ.

Л, =0.0165 Ом =[2RK + RswJ/N, RK = 0.27 Ом - внутреннее сопротивление конденсатора GA35426, Rsw = 0.12 Ом;

L, = 6 нГн =L/N, L, = 240 11Г11;

Rcore = 0.65 Ом сопротивление сердечника (среднее между расчетным значением 0.73 Ом и измеренным в эксперименте

^со/?£~—~ 0-57 Ом, см., например, рис. 15.);

А

L2 = 1.05 нГн расчетная индуктивность нагрузки.

С этими параметрами контур на рис. 17 представляет собой эквивалент сорока секций, включенных параллельно на сопротивление сердечника и нагрузку в предположении, что полная индуктивность секции в составе ступени Ц (включая индуктивность конденсаторов, разрядника и всех токопроводов) и сопротивление разрядника Rsw постоянны и равны:

|L,. = 240 нГн,

\RSW=0.\2 0m.

Таким образом, при выполнении (3) основные выходные параметры ступени 1 MA LTD можно определить с использованием линейного RLC-контура, показанного на рис. 17. Можно считать, что условия (3) усредненным образом учитывают разброс моментов срабатывания разрядников ступени.

Согласованной нагрузкой для контура на рис. 17 с указанными параметрами для ступени IMA LTD является RM = 0.103 Ом. Согласно расчету, при разряде на такую нагрузку потери энергии в течение основного импульса напряжения в сопротивлениях разрядников составляют -3% от энергии Е0, в сопротивлении конденсаторов -12.5% от Ео, в сопротивлении Rcore = 0.65 Ом - 11.5% от Е0. Таким образом, возбуждение вихревых токов в сердечнике ступени IMA LTD почти удваивает потери энергии, снижая эффективность передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку до -70%. С целью снижения потери в сердечнике все последующие ступени IMA LTD изготавливались с сердечниками, намотанными лентой марки ЭТ3425 толщиной 50 мкм, при этом сечение сердечника было увеличено с 56 см? до 64 см2. При этом сопротивление Rcore увеличилось (согласно эксперименту) до 1.5 Ом. Для схемы рис. 17 такое увеличение Rcore д^ет повышение эффективности передачи энергии в согласованную нагрузку до -79%.

Ступени IMA LTD в количестве 5-ти штук были испытаны в ИСЭ СО РАН в составе модуля, работавшего в режиме ЛИТ, для питания нагрузки в виде вакуумного электронного диода. Одна такая ступень была поставлена в 2007 г. в Мичиганский университет (США), 10 таких ступеней были поставлены в Sandia National Laboratories (Альбукерк, США) летом 2008 г. для проведения испытаний в режиме IVA с водонаполненной выходной линией.

В четвертой главе описана конструкция, исследование и моделирование быстрой ступени LTD (ступень LTD16-8), позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт при токе -200 кА, нарастающий за время ~40 не.

Конструкция этой ступени аналогична конструкции ступени IMA LTD, за исключением того, что она содержит 16 секций вместо сорока, при этом, в качестве накопительных конденсаторов использованы конденсаторы с пониженной емкостью GA35436 (100 кВ, 8.4 нФ, 35 нГн, 0.3 Ом). Для снижения потерь энергии в ступени LTD16-8 сечение ее сердечника было выбрано примерно равным сечению сердечника ступени IMA LTD, и он изготавливался из ленты толщиной 6 =50 мкм. Поперечный разрез ступени LTD16-8 с указанием основных размеров дан на рис. 18.

Ступень LTD16-8 испытывалась как с масляной, так и с газовой изоляцией. Для испытаний с газовой изоляцией степень помещалась между двумя эллиптическими крышками, при этом в верхнем и нижнем фланцах индуктора ступени делалось по одному отверстию. При испытаниях с масляной изоляцией эти отверстия служили для заполнения полости ступени трансформаторным маслом, при испытаниях с газовой изоляцией эти отверстия были открыты, так что газ проникал внутрь ступени, однако избыточное давление воздействовало только на эллиптические крышки и их торцевые фланцы. Фотография ступени LTD16-8 в сборе с эллиптическими фланцами показана на рис. 19.

Ступень LTD16-8 испытывалась с резистивной нагрузкой в виде кольцевой полости, заполненной водный раствором КВг, аналогично тому,

как это делалось при испытаниях ступени IMA LTD. Все испытания проводились при пассивном подмагничивании, при этом вольтЫсекундный интеграл сердечника составлял VS£ = 1 бмБГЬ.

Рис. 19. Ступень ЬТО16-8 в сборе перед проведением испытаний.

При испытания с газовой изоляцией (смесь воздуха с элегазом) наблюдался ярко выраженный полярный эффект, проявившийся в пробоях вдоль поверхности диэлектрика с положительных электродов разрядника на корпус индуктора. Пробой инициировался высоким электрическим полем в тройной точке металл-диэлектрик-газ на поверхности положительного электрода разрядника, от этих пробоев удалось избавиться, замазав наиболее напряженную зону разрядников пластилином. После этого ступень работала при полном зарядном напряжении +100 кВ в чистом элегазе при давлении 2.5 ата, в смеси 20% 8Р6+80% воздуха - при давлении 3.9 ата. В чистом сухом воздухе при давлении 6 ата (максимальной давление для данной конструкции эллиптических фланцев) ступень работала при зарядном напряжении ±95 кВ, при попытке поднять напряжение до ±100 кВ внутри ступени начинались пробои при напряжении ~ ±98 ата. При испытании ступени с масляной изоляцией было сделано более 1500 выстрелов из них 95 процентов при полном зарядном напряжении ±100кВ. На рис. 20-23 показаны результаты испытаний ступени при зарядном напряжении ±100 кВ. Здесь точками показаны результаты, полученные с масляной изоляцией, треугольниками -результаты, полученные с газовой изоляцией (в чистом элегазе при давлении 3 ата), сплошными кривыми - результаты расчета в Рэрке (см. далее). Выходные параметры ступени с маслом несколько выше, чем с газом, указывая на то, что в ступени с газом в момент выстрела все же происходят частичные разряды, приводящие к потерям энергии.

160

140

120

<9

100

X

X

* 80

с 60

В

40

20

0

И *

/

/ >•

У

I

О 0,3 0,6 0,9 Сопротивление, Ом

1,2

Рис. 20. Напряжение на нагрузке.

100

и 90

и 80

о

70

а

ч о 60

и

X 50

н 40

о

40

н т 20

а 10

0

о 0,3 0,6 0,9 1,2 Сопротивление, Ом

0 0,3 0,6 0,9 1,2 Сопротивление, Ом

Рис. 21. Мощность на нагрузке.

1100

1000

900

Й 800

£

& 700

Г)

600

500

400

уг % --

/ А 4 * 1 А

/

/

О 0,3 0,6 0,9 1,2 Сопротивление, Ом

Рис. 22. Длительность на полувысоте Рис. 23. Энергия, выделенная в нагрузке импульса напряжения на нагрузке. в течение основного импульса.

Из представленных результатов следует, что выходная мощность ступени 1ЛЮ16-8 достигает максимума -19.6 ГВт при ~0.5 Ом, указывая, что данная нагрузка является для нее согласованной. При таком RL выходное напряжение составляет -100-105 кВ (ток -200 к А), длительность импульса напряжения на полувысоте -71-73 не. В нагрузку передается -1000 Дж энергии, что составляет -75% от накопленной к конденсаторах.

Для моделирования ступени 1ЛТ)16-8 использовался линейный ЯЬС-контур, показанный на рис. 17, с параметрами:

С = 67.2 нФ =0.5СКЫ, Ск = 8.4 нФ - емкость конденсатора СА35436, N=16; и0= 100 кВ.

Ri= 0.045 Ом =[2RK + RSfy]/N, RK = 0.3 Ом - сопротивление конденсатора

GA35436, Ssiy= 0.12 Ом; Li = 15 нГн =L/N, /., = 240 нГн;

Rcore = 4 Ом сопротивление сердечника (из эксперимента /?соя£~—~4 Ом,);

А

L? = 1.3 нГн расчетная индуктивность нагрузки

При таких параметрах и при выполнении условий (3) контур на рис. 17 эквивалентен 16-ти секциям, включенным параллельно на сопротивление сердечника и нагрузку. Как видно из рис. 20-23, этот контур с достаточной степенью достоверности воспроизводит экспериментальные данные. Из расчета следует, что в согласованном режиме (Лм=0.52 Ом) за время основного импульса в разрядниках теряется -1.5% от Ео, в сопротивлении конденсаторов -7.2% от Е0, в сердечнике -10.3% от Е0. Таким образом, эффективность ступени LTD16-8 определяется, в основном, потерями в конденсаторах и сердечнике, как и эффективность ступени IMA LTD.

Отметим, что сердечник ступени LTD16-8 при больших RL не насыщается, и поэтому расчетная зависимость EL=f(Ri), показанная на рис. 23, совпадает с полученной экспериментально.

Рис. 24. Наложенные друг на друга осциллограммы пускового напряжения Un и напряжения на нагрузке Ul, зарегистрированные в 50-ти последовательных выстрелах при неизменных условиях.

Щ рис. 24 показаны наложенные друг на друга осциллограммы пускового напряжения Un и напряжения на нагрузке UL„зарегистрированные в 50-ти последовательных выстрелах при зарядном напряжении ±100 кВ, давлении в разрядниках 3.6 ата, RL -0.5 Ом. Из этих осциллограмм следует, что абсолютный разброс момента срабатывания ступени не превышает ±1.5 не.

В Заключении подведены итоги проделанной работы, а также указано, что для практического использования технологии LTD необходимо решить все вопросы, связанные с надежностью элементной базы степеней LTD, т.е. конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников.

В Приложении А дано определение согласованной нагрузки RLC-контура Rm как нагрузки, на которой выходная мощность данного контура достигает максимального значения. Приведены значения R.M для некоторых линейных М,С-контуров, представляющих интерес с точки зрения LTD технологии.

В Приложении Б описана диагностика, использованная при испытаниях ступеней LTD в данной работе.

Основные результаты работы

1. Показана возможность построения быстрых ступеней LTD в составе до 40-ка параллельных секций, позволяющих получить в согласованной нагрузке ток -1 МА, нарастающий за ~100 не. Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет -70%. Показана возможность построения еще более быстрых ступеней LTD на конденсаторах с емкостью -8 нФ, с выходным током -100 кА, нарастающим в согласованной нагрузке за время -40 не (при длительности —75 не на полувысоте импульса напряжения). Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет -75%.

2. Исследована коммутационная характеристика многозазорного искрового разрядника типа Fast LTD. Показано, что ее несовершенство эквивалентно включению в разрядный контур накопителя нелинейного сопротивления и индуктивности, которые могли бы ограничивать выходную мощность ступеней LTD и эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку при попытке снижения длительности выходного импульса за счет уменьшения емкости накопительных конденсаторов. Тем не менее, выполненные эксперименты и расчеты показали, что сопротивление и индуктивность разрядника не оказывают катастрофического отрицательного воздействия на параметры ступеней LTD при снижении емкости накопительных конденсаторов до единиц нФ. Таким образом, можно ожидать, что технология LTD может быть использована для построения импульсных установок с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения вплоть до —30 не.

3. Достигнутый разброс моментов срабатывания разрядников позволяет рассчитывать основные выходные параметры обоих типов ступеней с помощью линейного RLC контура, эквивалентного параллельному включению секций ступени на сопротивление сердечника и нагрузку. Это значительно облегчает проектирование различных LTD-генераторов.

4. Продемонстрирована работа модуля в составе 5-ти ступеней IMA LTD, работающего в режиме ЛИТ, на нагрузку в виде вакуумного электронного диода.

5. Достигнутые параметры быстрых ступеней LTD позволяют говорить о принципиальной возможности построения мощных LTD-генераторов 100-нс диапазона длительности, отличающихся простотой, унифицированностью и компактностью. Для практического использования технологии LTD необходимо решить все вопросы, связанные с надежностью их элементной базы, т.е. конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников.

Публикации по теме диссертации

1. Kim A.A., V.G. Durakov, S.N. Volkov, A.N. . Bastrikov, B.M. Kovalchuk, V.A. Sinebryukhov, S.V. Frolov, V.M. Alexeenko, L. Veron, M. Toury, C. Vermare, R. Nicolas, F. Bayol, C. Drouilly. Gas switch performance depending on current in the circuit // Изв. вузов. Физика. - 2006. -№11. Приложение. - С. 297-300

2. А.А. Kim, A.N.Bastrikov, S.N.Volkov, V.G.Durakov, B.M. Kovalchuk, V.A.Sinebrykhov. Development of the ultra-fast LTD stage // Proc. 14й1 Intern.Conf.High-Power Particle Beams, Albuquerque 2002, pp.81-84.

3. A.A.Kim, A.N. Bastrikov, S.N. Volkov, V.G. Durakov, B.M. Kovalchuk, V.A. Sinebryukhov, J.E.Maenchen, D.L.Johnson, D.V.Rose. Design and first test results of the 1 MV ultra-fast LTD generator // Proc. 4th Intern. Symp. Pulsed Power and Plasma Applications, Nagaoka, 2003, pp.34-36.

4. A. A. Kim, A. N. Bastrikov, S. N. Volkov, V. G. Durakov, В. M. Kovalchuk, V. A. Sinebryukhov. 100 GW Fast LTD Stage // Proc. 13,h Inter. Symp. High Current Electronics, Tomsk 2004, p.141-144.

5. Kim A.A., A.N. Bastrikov, S.N. Volkov, V.G. Durakov, B.M. Kovalchuk, E.V. Kumpjak, V.A. Sinebryukhov, N.V. Tsou. LTD Technology of Primary Energy Storage // 15th Int. Conf. of High-Power Particle Beams, Saint-Petersburg, 2005, p.205

6. A.A. Kim, V.G. Durakov, S.N. Volkov, etc. Gas switch performance depending on current in the circuit II Proc. 14lh Symp. High Current Electronics, Tomsk 2006, p.297-300.

7. A. Kim, V. Sinebryukhov, B. Kovalchuk, A. Bastrikov, V. Durakov, S. Volkov, S. Frolov, V. Alexeenko, M. Mazarakis, D. McDaniel, C. Olson, K. Struve, R. Gilgenbach. Design and first tests of five 100 GW fast LTD cavities driving an e-beam diode load // Proc. 16"' IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 17-22,2007, p.144-147.

8. A. A. Kim, V. A. Sinebryukhov, В. M. Kovalchuk, A. N. Bastrikov, V. G. Durakov, S. N. Volkov, S. V. Frolov, V. M. Alexeenko, F. Bayol, C. Drouilly, F. Cubaynes, L. Veron, M. Toury, C. Vermare, R. Nicolas. Super Fast 75 ns LTD Stage // Proc. 16"' IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 17-22, 2007, p. 148-151.

9. V.A. Sinebryukhov, A.A. Kim, et al. Multi gap switch for fast LTD stages // Proc. Megagauss 2008, Novosibirsk, 2008

10. Michael G. Mazarakis, William E. Fowler, Alexander A. Kim, Vadim A. Sinebryukhov, Sonrisa T. Rogowski, Robin A. Sharpe, Dillon H. McDaniel, Craig L. Olson, John L. Porter, Kenneth W. Struve, William A. Stygar, and Joseph R. Woodworth High current, 0.5-MA, fast, 100-ns, linear transformer driver experiments // Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.12, 050401,2009

11. A.A. Kim, M.G. Mazarakis, V.A. Sinebryukhov, B.M. Kovalchuk, V.A. Visir, S.N. Volkov, F. Bayol, A.N. Bastrikov, V.G. Durakov, S.V'. Frolov, V.M. Alexeenko, D. H. McDaniel, W. E. Fowler, K. LeChien, C. Olson, W.A. Stygar, K. W. Struve, J. Porter, R.M. Gilgenbach. Development and tests of Fast 1-MA linear transformer driver (LTD) stages // Phys.Rev. ST Accel. Beams, v. 12, 050402, 2009.

12. M. G. Mazarakis, S. Cordova, R. G. Gilgenbach D. L. Johnson, A. A. Kim, K. J. LeChien, J. J. Leckbee, F. W. Long, M. K. Matzen, R. G. McKee, J. L. McKenney, В. V. Oliver, J. L. Porter,- V. A. Sinebryukhov, W. A. Stygar D. M. VanDevalde, K. Ward, J. W. Weed, J. R. Woodwirth. Linear Transformer Driver (LTD) Development at Sandia National Laboratory // Abstracts 17'" IEEE Pulsed Power Conf., Washington, DC, June 28-July 2,2009, p. 129.

13. A. A. Kim , S. V. Frolov, V. M. Alexeenko, V. A. Sinebryukhov. Prefire Probability of the Switch Type Fast LTD // Abstracts 17"' IEEE Pulsed Power Conf., Washington, DC, June 28-July 2, 2009, p. 216.

Введение.

Глава 1. Индукционные генераторы.

1.1. Линейные индукционные ускорители.

1.2. Линейные импульсные трансформаторы.

1.3. Индукционные сумматоры напряжения (IVA-генераторы).

1.4. LTD-генераторы.

1.5. Выводы.'.,.

Глава 2. Коммутационная характеристика искровых разрядников типа Fast

2.1. Конструкция искровых разрядников типа Fast LTD.

2.2. Коммутационная характеристика разрядника типа Fast LTD.

2.2.1. Описание эксперимента.-.

2.2.2. Анализ полученных результатов.

2.3. Выводы.

Глава 3. Быстрая ступень LTD с мощностью —100 ГВт и током —1 МА, нарастающим в согласованной нагрузке за время -100 не.

3.1. Конфигурация ступени.

3.2. Конструкция ступени.

3.3. Испытания ступени с активной нагрузкой.

3.3.1. Описание эксперимента.

3.3.2. Результаты испытаний.

3.3.2.1. Выходные параметры ступени.

3.3.2.2. Свойства ферромагнитного сердечника.

3.3.3. Моделирование ступени.

3.4. Выводы.

Глава 4. Быстрая ступень LTD с мощностью —20 ГВт и током -200 кА, нарастающим в согласованной нагрузке за время -40 не.

4.1. Конфигурация ступени.

4.2. Конструкция ступени.

4.3. Испытания ступени с резистивной нагрузкой.

4.3.1. Описание эксперимента.

4.3.2. Результаты испытаний.

4.3.2.1. Газовая изоляция.

4.3.2.2. Масляная изоляция.

4.3.3. Моделирование ступени.

4.4. Выводы.

С середины прошлого столетия во многих странах мира ведутся активные исследования в области создания мощных высоковольтных импульсных систем, которые находят применение в таких областях науки, как:

• нагрев плазмы до термоядерной температуры;

• создание высокоинтенсивных источников рентгеновского излучения для изучения радиационных эффектов в различных средах;

• возбуждение электромагнитных колебаний СВЧ диапазона;

• физика высоких плотностей энергии, изучающая поведение вещества в экстремальных условиях;

• возбуждение объемных зарядов;

• накачка электронным пучком мощных газовых лазеров;

• исследования в области физики плазмы и физики твердого тела.

С развитием этих задач, на рубеже XXI века возникла острая необходимость в создании импульсных установок, способных передать в нагрузку энергию при мощности в десятки и сотни тераватт за время -100 не.

Современные установки подобного класса построены на основе традиционных схем формирования наносекундных высоковольтных импульсов, включающих промежуточные накопители энергии. В большинстве случаев первичным накопителем такой установки является генератор Аркадьева-Маркса с временем вывода энергии -1-1,5 мкс. В качестве промежуточных накопителей используются емкостные накопители на водяных линиях или индуктивные накопители с плазменными или другого типа прерывателями тока. Наличие промежуточных накопителей ведет к увеличению габаритов установки, повышению стоимости и сложности ее эксплуатации и обслуживания.

С середины 90-х годов прошлого века в Отделе импульсной техники ИСЭ СО РАН разрабатывается технология построения мощных импульсных генераторов на основе ступеней LTD (от Linear Transformer Driver). LTD-генератор относится к классу индукционных генераторов, таких, как линейный индукционный ускоритель (ЛИУ), сумматор индуктивного напряжения (IYA - Inductive* Voltage Adder) и линейный импульсный трансформатор (ЛИТ). Во всех индукционных генераторах используется закон электромагнитной индукции М. Фарадея, согласно которому изменение потока индукции ф в полости разрезанного тороидального экрана (индуктора) приводит к появлению на разрезе электродвижущей силы, пропорциональной скорости изменения потока индукции, s ~ d(j)/dt. Отличительным свойством всех индукционных генераторов является то, что в момент срабатывания их индукторы имеют нулевой потенциал.

ЛИГУ состоит из нескольких последовательно включенных индукторов, напряжение на разрезе каждого индуктора используется для ускорения пучка заряженных частиц, распространяющегося вдоль оси всей сборки. Поскольку заряженные частицы распространяются с конечной скоростью, то на каждом последующем зазоре они появляются с задержкой относительно предыдущего, а потому индукторы ЛИУ включаются последовательно, чтобы синхронизовать появление ускоряющего напряжения на очередном зазоре с моментом пролета пучка через этот зазор. Пучок удерживается на оси внешним магнитным полем, энергия частиц на выходе определяется суммой ЭДС отдельных индукторов.

IVA-генератор также содержит несколько индукторов, но, в отличие от ЛИУ, вдоль оси этих индукторов расположен центральный электрод, который вместе с внутренней цилиндрической поверхностью индукторов образует выходную линию, включенную на нагрузку. Важнейшим достоинством принципа IVA является то, что эта линия работает в режиме бегущей волны, когда энергия от каждого индуктора распространяется без отражений только в сторону нагрузки. Для этого каждый последующий индуктор IVA-генератора запитывается синхронно с распространением электромагнитной волны по выходной линии, при этом волновой импеданс этой линии постепенно увеличивается от индуктора к индуктору в направлении нагрузки, чтобы в любом сечении быть согласованным с суммарным внутренним сопротивлением предыдущих индукторов. В результате выходной импульс напряжения на согласованной нагрузке идеального IVA-генератора представляет собой сумму импульсов напряжения на зазорах всех индуктора, вне зависимости от длительности этих импульсов и общего количества индукторов в генераторе.

ЛИТ может состоять из одного или нескольких индукторов. Если это только один индуктор, то внутри него расположены несколько параллельных первичных витков, запитываемых одновременно. К зазору этого индуктора подключается нагрузка, при этом он должен быть изолирован на полное выходное напряжение. Поскольку первичные витки запитываются одновременно и длительность питающих импульсов составляет величину порядка 1 мкс, эквивалентная схема такого ЛИТ представляет собой совокупность последовательно включенных первичных контуров, которые разряжаются на нагрузку через индуктивность индуктора. Присутствие в схеме этой индуктивности ведет к уширению выходного импульса во времени, поэтому выходной импульс напряжения ЛИТ не является суммой импульсов напряжения первичных контуров, искажаясь тем сильнее, чем больше количество первичных контуров. IVA-подобный генератор, состоящий из нескольких индукторов с центральным электродом на оси, в котором все индукторы запитываются одновременно и/или выходная линия имеет постоянное волновое сопротивление по всей длине, является также ЛИТ в том смысле, что его выходное напряжение не -является суммой импульсов напряжения на зазорах индукторов, и зависит от числа индукторов и длительности питающих импульсов. В частности, если электрическая длина выходной линии много меньше длительности питающих импульсов, то эта линия представляет собой индуктивность, включенную последовательно с нагрузкой.

Подобно IVA и ЛИТ, LTD-генератор состоит из нескольких индукторов, получивших название «LTD-ступени», вдоль оси которых расположен центральный электрод. Основным отличием LTD-ступени от индукторов ЛИУ, IVA и ЛИТ является то, что LTD-ступень включает в себя первичный накопитель энергии. По этой причине LTD-генераторы имеют ряд особенностей, основными из которых являются следующие:

1) поскольку LTD-ступень включает первичный накопитель, LTD-генератор более компактен по сравнению с генераторами подобного уровня мощности. Как будет показано далее, LTD-генератор с выходной мощностью л

1 ТВт и током ~1 МА занимает площадь всего ~8 м ;

2) как любой первичный накопитель, LTD-генератор много проще генераторов с промежуточными накопителями энергии. Каждая LTD-ступень состоит всего из 3-х основных компонентов: конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников;

3) поскольку LTD-ступень включает в себя первичный накопитель, удобнее собирать его секции из конденсаторов с небольшими размерами. Как правило, уменьшение размера конденсатора сопровождается снижением его емкости. Но снижение емкости (до -10-40 нФ) в LC-контуре секции позволяет получать короткие выходные импульсы даже при относительно высокой индуктивности секции (-250 нГн). Таким образом, технология LTD способствует построению LTD-генераторов прямого действия, в которых короткий выходной импульс (с временем нарастания на согласованной нагрузке -50-100 не) формируется самим первичным накопителем;

4) поскольку LTD-генератор состоит из нескольких управляемых ступеней, он может использоваться как в режиме ЛИТ, так и в режиме IVA.

Указанные особенности технологии LTD представляют интерес для создания мощных импульсных генераторов 100-нс диапазона длительности без каких-либо промежуточных накопителей энергии, отличающихся простотой и компактностью. j

Данная работа построена следующим образом: в Главе 1 изложены история создания и конструктивные особенности отдельных типов индукционных генераторов, и сформулированы задачи, поставленные перед диссертационной работой. Глава 2 посвящена исследованию одного из основных элементов быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией -газового разрядника типа Fast LTD. В Главе 3 описана конструкция, результаты испытаний и численного моделирования самой мощной на данный момент ступени LTD, у которой мощность составляет -100 ГВт при токе ~1 МА, нарастающем в согласованной нагрузке за время -100 не. В Главе 4 описана самая быстрая ступень LTD, разработанная к настоящему времени, которая позволяет получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт и током -200 кА, нарастающим за время -40 не.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и исследована быстрая ступень LTD, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью -100 ГВт и током -1 МА, нарастающий за время —100 не.

2. Разработана и исследована быстрая ступень LTD, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью —20 ГВт и током -200 кА, нарастающий за время ~40 не (при длительности ~75 не на полувысоте импульса напряжения).

3. Уменьшение длительности выходного импульса быстрых ступеней LTD за счет снижения емкости накопительных конденсаторов производства компании General Atomics до ~ единиц нФ ведет к снижению эффективности передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку примерно на 5%. С помощью технологии LTD можно строить установки с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до ~ 30 не и эффективностью до -75%.

4. Для оценки выходных параметров импульсных установок, построенных на быстрых ступенях LTD с масляной изоляцией с конденсаторами производства General Atomics емкостью 8-40 нФ, можно использовать линейный RLC-контур, эквивалентный параллельному включению секций на нагрузку и импеданс сердечника в предположении, что полная индуктивность секции и сопротивление разрядника постоянны и равны 240 нГн и 0.12 Ом, соответственно.

4.4. Выводы.

1. Разработана и испытана ступень LTD 16-8 с мощностью ~20 ГВт и током -100 кА, нарастающим в согласованной нагрузке -0.5 Ом за время -40 не (при длительности -75 не на полувысоте импульса напряжения). Эта ступень включает 32 накопительных конденсаторов и 16 разрядников, образующих 16 идентичных секций, включенных параллельно.

2. Испытания этой ступени показали, что ее разрядный контур может быть представлен в виде линейного RLC-контура, эквивалентного параллельному включению секций на нагрузку и импеданс сердечника в предположении, что полная индуктивность секции и сопротивление разрядника постоянны и равны L; = 240 нГн и RSw = 0.12 Ом, как и в случае ступени 1 MA LTD. Это оправдывает использование линейного RLC-контура с L; = 240 нГн и RSw = 0.12 Ом для оценки параметров импульсных установок, использующих быстрые ступени LTD с масляной изоляцией, построенные на конденсаторах производства General Atomic с емкостью 8-40 нФ.

3. Эффективность передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку в ступени LTD 16-8 определяется, в основном, потерями энергии в конденсаторах и сердечнике ступени и составляет -75%.

Заключение

В данной работе исследована коммутационная характеристика искрового многозазорного разрядника и показано, что ее несовершенство эквивалентно включению в разрядный контур накопителя нелинейного сопротивления и индуктивности, которые могли бы ограничивать выходную мощность ступеней LTD и эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку при попытке снижения длительности выходного импульса за счет уменьшения емкости накопительных конденсаторов. Тем не менее, выполненные эксперименты и расчеты показали, что сопротивление и индуктивность разрядника не оказывают катастрофического отрицательного воздействия на параметры ступеней LTD при снижении емкости накопительных конденсаторов до единиц нф. Таким образом, можно ожидать, что технология LTD может быть использована для построения импульсных установок с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения вплоть до ~30 не.

Показана возможность построения быстрых ступеней LTD, позволяющих получить в согласованной нагрузке -0.1 Ом импульс мощности -100 ГВт, с током -1 МА, нарастающим за -100 не. Эти ступени состоят из 40 идентичных секций, включенных параллельно на общую нагрузку, эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет -70%. Показана возможность построения еще более быстрых ступеней LTD с мощностью -20 ГВт и током -100 кА, нарастающим в согласованной нагрузке -0.5 Ом за время -40 не (при длительности -75 не на полувысоте импульса напряжения). Эта ступень состоящих из 32-х накопительных конденсаторов и 16 разрядников, образующих 16 идентичных секций, включенных параллельно. Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет -75%.

Достигнутый разброс моментов срабатывания разрядников позволяет рассчитывать основные выходные параметры обоих типов ступеней с f помощью линейного RLC-контура, представляющего собой параллельное включение соответствующего числа секций, индуктивность каждой из которых постоянна и равна 240 нГн. Такая возможность значительно облегчает проектирование различных LTD-генераторов.

Достигнутые параметры быстрых ступеней LTD позволяют говорить о принципиальной возможности построения мощных LTD-генераторов 100-нс диапазона длительности, отличающихся простотой, унифицированностью и компактностью. Для практического использования технологии LTD необходимо решить все вопросы, связанные с надежностью их элементной базы, т.е. конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников. Решению этих вопросов автор намерен посвятить свою дальнейшую деятельность.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность академику РАН Ковальчуку Б.М., доктору технических наук Киму A.A. и всем сотрудникам Отдела импульсной техники ИСЭ СО РАН за оказанную помощь.

1. А.А. Воробьев. Ускорители заряженных частиц. M.-JL, Гос. Энергетическое изд-во, 1949

2. N.C. Christofilos, R.E Hester., W.A. Lamb, et al. Rev Sci. Instrum., 1964, v. 35, No. 7, p. 886-890.

3. J.W. Beal, N.C. Christofilos, R.E. Hester. IEEE Trans.Nucl Sci., 1969, NS-16, No. 3, part 1, p. 294.

4. А.И. Анацкий, O.C. Богданов, П.В. Букаев, Ю.П. Бахрушин и др. Атомная энергия, 1966, т.21, вып. 6, с. 439.

5. Ю.П. Бахрушин, А.И. Анацкий. Линейные индукционные ускорители. М., Атомиздат, 1978.

6. Высокие плотности энергии: сборник научных трудов. РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, 1997, с. 107.

7. B.C. Босамыкин, А.И. Герасимов, А.П. Клементьев, А.И. Павловский. Линейный индукционный ускоритель, АС 205178 СССР, МКИ H05h / БИ, 1967, №23, с. 168.

8. А.И. Герасимов, Многоканальные разрядники с ламельными электродами, их развитие и применение. Препринт ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 86-2003; ПТЭ, 2004, №1, с. 5.

9. B.C. Босамыкин, А.И. Павловский. Линейный индукционный ускоритель, АС 270913 СССР, МКИ H05h 7/04 / БИ, 1971, №34, с. 223.

10. А.И. Павловский, B.C. Босамыкин. Линейные индукционные ускорители на радиальных линиях /В сб. Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики, Ред. А.П. Александров, Л.: Наука, 1984, с. 132148.

11. R.W. Miller, K.R. Prestvich, J.M. Poukey, et al. J. Appl. Phys., 1981, p. 11841186.

12. A.I Pavlovskiy V.S. Bossamykin, A J Gerasimov, V.A. Tananakin, et al. Proc.9th Inter. Conf. High-Power Particle Beams, 1992, v.l, p. 273-282.

13. G.A. Mesyats, Proc. 2nd IEEE Inter. Pulsed Power Conf, Lubbock, 1979, p. 916

14. Н.Ф. Ковшаров, A.B. Лучинский, Г.А. Месяц, и др. Новости термоядерных исследований, 1986, вып. 4 (42), с. 1

15. Н.Ф. Ковшаров, А.В. Лучинский, Г.А. Месяц, и др. ПТЭ, 1987, № 6, с. 8489.

16. Н.А. Ратахин. Разработка и исследование источников мощных наносекундных потоков заряженных частиц и рентгеновского излучения. Дисс. доктора ф.-м. наук, Томск, 2000.

17. А.В.Лучинский, Н.А.Ратахин, В.Ф.Федущак, А.Н.Шепелев. Изв.вузов. Физика, 1995, №12, с. 58-66.

18. J.J. Ramirez et al. Proc. 5th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1985, p.143-146.

19. J.J. Ramirez et al. Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1987, p.295-299.

20. J.J. Ramirez et al. Proc. 7th IEEE Pulsed Power Conf, Monterey, California, 1989, p.26-31.

21. G.J. Denison, et al. Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1987, p. 490-493.

22. C.W. Huddle, D.L. Johnson, et al. Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1987, p. 494-497.

23. J.P. Corley et al. Proc. 8th IEEE Pulsed Power Conf, San Diego, California, June 16-19, 1991, p. 920-923.

24. T. Akiba et al. Proc. 6th Inter. Conf. High-Power Particle Beams, Kobe, Japan, June 9-12, 1986.

25. D.L. Johnson, et al. Proc. 9th IEEE Pulsed Power Conf, Albuquerque, New Mexico, June 21-23, 1993.

26. I.I. Smith, et al. Proc. 12th IEEE Pulsed Power Conf, Monterey, California,1. June 27-30, 1999.

27. Б.М. Ковальчук, и др. Известия вузов. Физика., 1997, №12, с. 25.

28. A.N. Bastrikov, A.A. Kim, В.М. Kovalchuk, et al Proc. 11th IEEE Inter. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 489-497.

29. Ph. Monjaux, D. Huet, et al. Proc. 11th IEEE Inter. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 687-697.

30. Ch. Mangeant, B. Riques, et al. Proc. 15th Inter. Conf. High-Power Beams, St. Petersburg, 2004, p. 209-212.'

31. А.А. Ким. Мощные первичные накопители с временем вывода энергии менее 1 мкс. Дисс. доктора техн. наук, Томск, 2001.

32. А.А. Kim, В.М. Kovalchuk. Proc. 12th Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2000, p. 263-267.

33. C.L. Olson. Inertial confinement fusion: z-pinch. Landolt-Bornstein, New Series VIII/3B, Springer, 2005, ISBN: 3-540-42891-7, p. 495-528.

34. W.A. Styger, M.E. Cuneo, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v. 10, 030401, 2007.

35. W.A. Stygar, W.E. Fowler, et al. Shaping the output pulse of a linear-transformer-driver module. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v. 12, 030402, 2009.

36. M. Toury, C. Vermare, et al. IDERIX: an 8 MV flash X-rays machine using a LTD design. Proc. 16th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, New Mexico, 2007, p. 599-602.

37. B.B. Кремнев, Г.А. Месяц. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск, Наука, 1987, с. 191-194.

38. V.A. Sinebiyukhov, А.А. Ют, et al. Multi gap switch for fast LTD stages. Proc. Megagauss 2008, Novosibirsk, 2008.

39. A.H. Бастриков, A.K. Ким, Б.М. Ковальчук, B.B. Кремнев, E.B. Кумпяк, А.А. Новиков, Н.В. Цой. Низкоиндуктивные многозазорные разрядники. Известия вузов. Физика, 1997, №12, с. 5-16.

40. В. Kovalchuk, A. Kim, Е. Kumpjak, N. Zoi, J. Corley, D. Johnson, K. Struve. Multi gap switch for Marx generators. Proc. XIII IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, 2001, v. 2, p. 1739-1742.

41. A.A. Kim, V.G. Durakov, S.N. Volkov, A.N. Bastrikov, B.M. Kovalchuk, V:A. Synebryukhov, et al. Gas switch performance depending on current in the circuit. Proc. 14th Symp. High Current Electronics, Tomsk 2006, p.297-300.

42. С.И. Брагинский. К теории развития канала искры. ЖЭТФ, 1958, т. 346 вып. 6, с. 1548-1557.

43. A. A. Kim, A. N. Bastrikov, S. N. Volkov, V. G. Durakov, В. M. Kovalchuk, V. A. Sinebryukhov. 100 GW Fast LTD Stage. Proc. 13th Inter. Symp. High Current Electronics, Tomsk 2004, p. 141-144.

44. V.A. Vizir, A.D. Maksimenko, V.I. Manylov, G.V. Smorudov.Submicrosecond pulsed high-power transformer magnetic cores. Proc. 13th Intern. Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2004, pp. 198-200.

45. C.C. Вдовин. Конструирование импульсных трансформаторов. Ленинград, Энергия, 1971.

46. F. Bayol, частное сообщение (e-mail от 31 июля 2008 г). '

47. A.A. Kim, A.N.Bastrikov, S.N.Volkov, V.G.Durakov, B.M. Kovalchuk, V.A.Sinebrykhov. Development of the ultra-fast LTD stage. Proc. 14th Intern.Conf.High-Power Particle Beams, Albuquerque 2002, p.81-84.

48. ELCUT (TM), Версия 4.2.0.3. Производственный кооператив TOP, С анкт-Петербург.

49. A. A. Kim , S. V. Frolov, V. М. Alexeenko, V. A. Sinebryukhov. Prefire Probability of the Switch Type Fast LTD. Abstracts 17th IEEE Pulsed Power Conf., Washington, DC, June 28-July 2, 2009, p. 216.