Исследование импульсной передачи энергии из индуктивных накопителей с магнитосвязанными секциями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

КРЫЛОВ МИХАИЛ КОНСТАНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

ИЗ ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ С МАГНИТОСВЯЗАННЫМИ СЕКЦИЯМИ

Специальность 01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Москва - 2004

Работа выполнена в ГНЦ РФ Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ), г.Троицк, Московская обл.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Лотоцкий Алексей Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шнеерсон Герман Абрамович

кандидат физико-математических наук Андрианов Юрий Владимирович

Ведущая организация: ФГУП Научно-исследовательский институт

электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова (НИИЭФА), г. Санкт-Петербург.

Защита состоится: « 30 » ИЮНЯ 2004 г. в 14 часов 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212. 130. 01 в аудитории К-608 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31. тел. 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИФИ.

Просим Вас принять участие в обсуждении диссертации или прислать свой отзыв в 1-м экземпляре, заверенный печатью вашей организации.

Автореферат разослан: 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

А

Г

И. С. Щедрин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На установке АНГАРА (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) достигнуты существенные успехи по генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ), используемых для нагрева термоядерных мишеней. Согласно результатам экспериментов по быстрому сжатию лайнеров на подобных установках, в том числе Z (Сандиа, США), при токе 50 МА уровень энергии излучения превысит 10 МДж, что обеспечит поджиг термоядерной мишени с коэффициентом усиления много большим 1. В связи с этим, Минатомом РФ была поставлена задача разработки проекта БАЙКАЛ - большой электрофизической установки с инерциальным удержанием, схема формирования электрического импульса которой основана на магнитном накоплении и преобразовании энергии. По своим параметрам она на порядок величины превышает аналогичные устройства, существующие в мире: ток в нагрузке 50 МА, мощность электрического импульса 500-1000 ТВт, длительность импульса тока в фазе сжатия лайнерной нагрузки 100-300 нс. В схеме установки использован существующий в ГНЦ РФ ТРИНИТИ уникальный индуктивный накопитель ТИН-900 с энергозапасом 900МДж, дополненный несколькими последовательными каскадами усиления тока и мощности. Проектируемая установка является лабораторной, что дает возможность проводить систематические научные исследования.

В разработке проекта принимают участие ведущие научные институты страны: РНЦ «Курчатовский институт», ГНЦ РФ ТРИНИТИ, ФГУП НИИЭФА им. ДВ.Ефремова (г.Санкт-Петербург) и РФЯЦ-ВНИИТФ (г.Снежинск) и другие. В ходе этого проекта в ТРИНИТИ с 1999 г. создается экспериментальный стенд МОЛ, который является аналогом одного модуля установки БАЙКАЛ. Стенд предназначен для исследования работы всех ступеней схемы передачи энергии установки БАЙКАЛ и генерации электрического импульса мегаджоульного уровня.

Энергоемкие индуктивные

собой, как правило, систему многовитковых катушек, взаимоиндукция которых при импульсном разряде приводит к ряду эффектов, связанных с двумерным распределением магнитного поля, магнитных потоков и, соответственно, с перераспределением токов по составным элементам ИН. В этом ряду особое место занимают импульсные системы передачи магнитной энергии с дискретным преобразованием схемы, обладающие высоким КПД. Для них задачи определения влияния магнитной связи между секциями на разрядные характеристики ИН были поставлены и решены впервые.

Постановка основных исследованных в работе задач была ориентирована на решение электрофизических проблем, связанных с созданием стенда МОЛ и разрабатываемым проектом БАЙКАЛ, что обусловливает актуальность темы диссертации и ее практическую ценность.

Целью работы является исследование разрядных режимов, индуктивных накопителей с сильной магнитной связью между секциями и разработка схемы усилителя мощности для стенда МОЛ.

Научная новизна

— впервые проведен подробный анализ перераспределения токов в тороидальном и соленоидальном ИН с сильной магнитной связью между секциями. Анализ выполнен для пошаговой и синхронной передачи энергии в нагрузку;

— исследованы способы предотвращения инверсии тока в крайних секциях соленоидального ИН, основанные на различных принципах;

— предложена и экспериментально исследована схема магнитного усилителя тока и мощности с размыкателями тока на основе электрически взрываемых проводников (ЭВП). Показана работоспособность ЭВП размыкателей с дугогасящей средой на основе мелкодисперсного кварцевого песка при прерывании тока с амплитудой более 100 кА при временах зарядки до 300'мкс. Получено сокращение фронта импульса тока в нагрузке

в 20 раз при увеличении его амплитуды на 20%;

- предложена схема Магнитного усилителя (МУ) для стенда МОЛ на основе тороидального ИН и ЭВП размыкателей тока, рассчитаны его рабочие параметры;

- разработан универсальный метод расчета параметров индуктивного каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока с заданными амплитудой и длительностью.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментов на макете двухсекционного магнитного усилителя с размыкателями тока на основе электрически взрываемых проводников, в которых получено сокращение переднего фронта токового импульса в 20 раз с одновременным увеличением его амплитуды.

2. Результаты математического моделирования работы Магнитного усилителя стенда МОЛ, показавшие эффект автосинхронизации прерывания тока в размыкателях усилителя при 5% отклонении сечения электрически взрываемых проводников первой ступени.

3. Предложенный способ предотвращения инверсии тока в торцевых секциях соленоидального накопителя ИН-1 с помощью введения дополнительных индуктивностей в разрядные цепи соседних с ними секций.

Апробация работы Результаты работы докладывались на 7-й и 9-й международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (Россия, 1996 г. и 2002 г., соответственно), на международной конференции по плазменной науке ICOPS-97 (г. Сан-Диего), на 13-й международной конференции по импульсным системам питания (г.Лас-Вегас, 2001). Основные результаты опубликованы в журналах: «Приборы и техника эксперимента», «Вопросы атомной науки и техники» (серия Термоядерный синтез), а также в сборнике трудов ОФТР ТРИНИТИ

«Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в 2001 году» (г.Троицк, 2002 г.).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, и двух приложений. Она содержит 112 страниц текста, 70 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность работы и современное состояние исследований в рассматриваемой области, сформулированы научная новизна работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан обзор схем импульсной передачи магнитной энергии, рассмотрены возможные источники энергии для их зарядки, приведены сведения по используемым коммутаторам тока, параметры которых в значительной мере определяют диапазон выходной мощности исследуемых систем.

Во второй главе представлен расчет параметров индуктивного каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистив-ной нагрузке импульс тока с заданными амплитудой и длительностью. В основе расчета использована схема поддержания тока с использованием ограничивающего нелинейного сопротивления, обобщенная на случай произвольного порядка переключения элементов ИН из последовательного соединения в параллельное (без учета магнитной связи между ними), а также схемы с отключением магнитосвязанных секций. Рассчитаны параметры систем для наиболее общих случаев - схемы пошагового деления ИН на две части и схемы с числом переключений, равным числу элементов. В качестве исходного параметра для сравнительных оценочных расчетов использована постоянная времени нагрузки, которая является функцией геометрических размеров ИН и удельного сопротивления материала обмотки.

Представлены результаты исследований пошагового процесса передачи энергии из вторичной обмотки накопителя ТИН-900, проведенных при разработке проекта системы питания установки большого плазменного фокуса ПФ-100. Этот проект мощного источника нейтронного излучения был разработан в конце 1990-х годов под руководством д.ф.-м.н А.П. Лотоцкого. Общая схема установки ПФ-100 показана на рис. 1.

Р1

ТИН-900 Первичная обмотка

31 Г

и

ТИН-900 Вторичная обмотка Ь2 Дополнительный ИН НАГРУЗКА Камера ПФ

4 к

Рис.1 Общая схема установки ПФ-100.

Тороидальный накопитель ТИН-900 состоит из 32 отдельных секций, каждая из которых содержит 13 витков первичной и один виток вторичной обмотки. Внешний диаметр накопителя 14,8 м, диаметр секции 4 м. Амплитуда тока во вторичной обмотке до 2 МА. Первоначально этот ИН проектировался для системы питания токамака Т-14 с последовательным включением всех секций. Однако, при работе накопителя в схеме пошаговой коммутации значения токов в соседних секциях будут отличаться. Это может привести тому, что силовые нагрузки на элементы ИН превысят допустимую величину. Для достижения максимальной величины тока, передаваемой в дополнительный ИН энергии, а также сохранения силового равновесия тороидальной системы ТИН-900, была предложена 10-ти шаговая схема коммутации. В отличие от схемы пошагового деления ИН на два с шестью шагами коммутации, обеспечивающей равенство значений токов во всех секциях накопителя в течение всего процесса передачи энергии, 10-ти шаговая схема позволяет увеличить долю передаваемой в L2 энергии примерно на 10%. Разработанная электрическая схема передачи энергии из ТИН-900 в L2 показана на рис.2. Элементы L1-L32 - секции накопителя, РВ1-РВ32 - взрывные размыкатели тока. Одновре-

менно с каждым размыкателем (кроме первого) срабатывают два замыкателя тока, которые на схеме не обозначены. На первом шаге, при срабатывании размыкателя РВ1, начинается переключение тока в нагрузку L2. На втором шаге размыкатель РВ32 делит секции ИН на две группы с четными и нечетными номерами. Остальные переключения в группах производятся поочередно: 3 шаг - РВ16; 4 - РВ17; 5 шаг - одновременно РВ8 и РВ24; 6 -РВ9 и РВ25; 7 - РВ4, РВ12, РВ20, РВ28; 8 - РВ5, РВ13, РВ21, РВ29; 9 - РВ2,

РВ6, РВ10, РВ14, РВ18, РВ22, РВ26, РВЗО; 10 - РВЗ, РВ7, РВИ, РВ15, РВ19, РВ23, РВ27, РВ31. В конечном состоянии все секции ИН включены параллельно.

Рис.2 Электрическая схема передачи энергии из ТИН-900 в ИН L2. Обозначения: -Х- размыкатели тока (РВ 1 - РВ 3 2"),замыкатели тока.

Схема компенсации азимутальных силовых нагрузок на виток ТИН-900 при равенстве токов в двух соседних с ним секциях показана на рис.3.

Для расчета токов в секциях накопителя для каждого шага коммутации были составлены системы уравнений, использующие частичные суммы элементов матрицы коэффициентов взаимных индуктивностей секций (Тн) размерностью 32x32. Матрица (Т;:) имеет вид:

К1 К2 КЗ К4 Кб Кб 0 0 0 . . КЗ К2

К2 КХ К2 КЗ К4 К5 Кб 0 0 . . К4 КЗ

КЗ кг К1 К2 КЗ К4 К5 Кб О . . К5 К4

К4 КЗ К2 К1 К2 КЗ К4 К5 Кб . . . Кб К5

К5 К4 КЗ К2 К1 К2 КЗ К4 Кб . . . □ Кб

Кб КЗ К4 КЗ К2 К1 К2 КЗ К4 . . 0 О

0 Кб КБ К4 КЗ кг К1 кг КЗ . . . 0 0

0 0 Кб К5 К4 КЗ К2 К1 кг . . . о 0

0 0 о Кб К5 К4 КЗ К2 К1 . . . о О

К4 К5 Кб О 0 О 0 0 О . . . К2 КЗ

КЗ К4 К5 Кб 0 0 О 0 0 . . . КХ К2

К2 КЗ К4 К5 Кб 0 О О О . . . К2 КХ

где Ю^, a K2-K6 - коэффициенты взаимоиндукции двух соседних секций, по шестую включительно. Проведенные расчеты подтвердили равенство токов в четных и нечетных секциях соответственно. Рассчитан-

ные значения токов в секциях ТИН-900 при передаче энергии из вторичной обмотки в ИН 1^2=0,4 мкГн приведены на рис.4. Величина индуктивности Ьг была определена по максимуму тока в четвертой степени плазменной оболочки в фазе сжатия, что теоретически соответствует максимальному числу испускаемых из нее нейтронов.

Приведена оценка величины равнодействующей силы, действующей на отдельную секцию ТИН-900 при использовании схемы передачи энергии с числом шагов коммутации, равном 32. Все секции накопителя с внутренней стороны жестко закреплены, а на внешней стороне максимальная величина силы будет Н, что потребует усиления

конструкции ИН.

Также в главе рассмотрена передача энергии из секционированного

соленоидального накопителя ИН-1, входящего в состав первого каскада стенда МОЛ. Основные элементы стенда показаны на рис.5. Кроме ИН-1, в нее входят: генератор постоянного тока, согласующая емкость С1 величиной 3 мФ, Магнитный усилитель, Магнитный компрессор (МК), Повышающий трансформатор напряжения Т1 и Система плазменных прерывателей тока с конечной нагрузкой - лайнером.

Рис.5 Общая схема стенда МОЛ.

Накопитель ИН-1 состоит из 30-ти секций, собранных на едином основании. Каждая секция содержит 4,5 витка с средним диаметром 1,8 м. Длина накопителя 4 м. После зарядки ИН до величины тока кА все

секции одновременно переключаются из последовательного соединения в параллельное. При этом индуктивность ИН снижается до 10 мкГн, что сопровождается увеличением тока на его выходе в 30 раз. После этого примерно 60% запасенной энергии передается в МУ, индуктивность которого выбрана равной 3 мкГн. Использование схемы с согласующей емкостью (в проекте установки БАЙКАЛ ее нет) связано с тем, что она позволяет передать в нагрузку максимальную величину энергии и что необходимая конденсаторная батарея уже существует в непосредственной близости от стенда МОЛ.

Полная величина индуктивности секции, складывающаяся из собственной индуктивности и взаимной индуктивности с другими секциями накопителя, при приближении к краю соленоидальной катушки уменьшается. Поэтому при разряде такого накопителя в его крайних секциях может происходить инверсия тока, что недопустимо из-за использования в

схеме ИН-1 стенда МОЛ в качестве замыкателей тока секций лавинных полупроводниковых диодов (см. рис.7).

Для расчета токов в секциях ИН-1 на этапах умножения тока и передаче энергии в МУ были составлены системы уравнений. В них использована матрица взаимных индуктивностей (Бу):

в которой К1=Ы=65 мкГн — собственная индуктивность одной секции, К2 -К30- значения взаимных индуктивностей двух секций накопителя.

Рассчитанные для простого случая значения токов в секциях накопителя ИН-1 при передаче энергии в нагрузку 3 мкГн приведены на

рис.6. Из него видно, что в крайних секциях будет происходить инверсия тока. При этом напряжение на шинах накопителя будет иметь величину ~30 кВ, что должно привести к пробою соответствующих групп диодов.

Автором исследованы различные способы предупреждения инверсии тока, в том числе предусматривающие увеличение индуктивности крайних секций за счет введения в них дополнительных витков, либо отдельных катушек с индуктивностью ~0,3-Ы. Способ, заключающийся во введении дополнительных индуктивностей в разрядные цепи 2 и 29 секций

накопителя предполагается использовать схеме стенда.

Электрическая схема первого каскада стенда МОЛ показана на рис.7. В ней использованы обозначения: L1-L30 - секции накопителя, РВ1-РВ30 -взрывные размыкатели тока РВ50/50, Д1-Д59 - полупроводниковые диоды ДЛ3200/24, Ьд1-Ьд2 - дополнительные индуктивности, Кд1-Яд2 шунтирующие сопротивления, - индуктивность общего кабельного коллектора, LK1 И Ьк2 - индуктивности кабельных линий, Ш—6 мОм - защитное сопротивление, используемое для вывода оставшейся в ИН-1 энергии.

Рис.7 Электрическая схема первого каскада стенда МОЛ.

На рис.8 представлены результаты расчета токов в секциях ИН-1 при умножении тока и передаче энергии в МУ с Ьд1=Ьд2=30 МкГн и Яд1=Яд2=60 мОм. Срабатывание всех коммутаторов тока считалось мгновенным. Границы этапов отмечены пунктирными линиями. Из результатов расчетов видно, что на стадии умножения тока в интервале времени 0-1 мс токи в 1-й и 3-й (соответственно, 28-й и 30-й) секциях увеличиваются на 20% от уровня зарядного тока 50 кА, и в течении всего процесса передачи энергии в нагрузку инверсии тока нет.

Элементы использованы для снижения нагрузок на

взрывные размыкатели РВ50/50 при их срабатывании, а их величина

определена из условия, чтобы постоянная времени цепи Ьд1Л1д1=0,5 мс не превышала временной задержки перед началом процесса передачи энергии в МУ, введенной в программу срабатывания коммутаторов тока для набора размыкателями РВ50/50 необходимой электрической прочности.

Область применимости исследованных способов предотвращения инверсии может быть определена с помощью анализа величины магнитной энергии ИН-1. В простом случае обнуление токов в крайних секциях ИН-1 происходит при снижении его энергии до величины где

начальная энергия накопителя. Способ, основанный на введении индуктивных элементов в разрядные цепи предпоследних секций позволяет снизить эту величину до что соответствует рассчитанным параметрам

работы накопителя в схеме стенда. Если в процессе работы стенда МОЛ энергия ИН-1 к моменту спада высокого напряжения будет меньше указанной величины, может быть применен способ предусматривающий введение катушек индуктивности в зарядные цепи крайних секций, что обеспечит работоспособность схемы при снижении энергии ИН-1 до 0,22'^э. Также возможно использовать взрывные замыкатели тока шунтирующие диоды Д1, Д58 и Д59 (см. рис.7) на этапе умножения тока активными сопротивлениями величиной

В третьей главе определены параметры второго каскада стенда МОЛ -Магнитного усилителя, необходимого для согласования работы ИН-1 и МК

1,кА 60

О

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Т, мс

Рис.8

(см. рис.5). Зарядная индуктивность МУ должна быть равна 3 мкГн, а длительность переключения усиленного тока в МК т~25 мкс. Научным руководителем и автором диссертационной работы было предложено выполнить этот каскад в виде автотрансформатора с воздушным сердечником и использовать размыкатели тока на основе электрически взрываемых проводников.

Результатов исследования «медленного» взрыва ЭВП с характерными временами разогрева проводника порядка сотен микросекунд в литературе сравнительно мало. Конструкция размыкателя с проводником, помещенным в диэлектрический корпус без дугогасящей среды (воздух) не применима из-за возможности вторичного пробоя. Поэтому было предложено практически проверить работоспособность усилителя на малом макете.

При участии автора работы были спроектированы и изготовлены двухвитковый ИН соленоидального типа энергоемкостью до 15 кДж и ЭВП размыкатели. В качестве системы питания макета была использована конденсаторная батарея емкостью 45 мФ с системой управления. Электрическая схема макета приведена на рис.9.

Рис.9 Электрическая схема макета МУ.

Элементы Со=45 мФ, Ro=2 мОм и Ьэ=0,76 мкГн принадлежат системе питания. Измеренные параметры ИН: L1=L2=0,85 мкГн, коэффициент взаимоиндукции K=M/L1=0,84. Элемент Ьз=0,1 мкГн - индуктивность ключа Кр ^,=0,1 мкГн - собственная индуктивность размыкателя ЭВП2-

Величина сопротивления ^=0,16 мОм, Яз=2 мОм.

Порядок работы макета МУ следующий: после заряда конденсаторной батареи и срабатывания тиристорных ключей Т в цепи, состоящей из двух магнитосвязанных витков L1 и L2 и двух размыкателей ЭВП1 и ЭВП2, начинает протекать ток. Сечение ЭВП1 выбрано таким образом, что при достижении заданной величины тока I этот проводник переходит из режима разогрева в режим взрыва, сопровождающийся резким увеличением его активного сопротивления. В этот момент времени при срабатывании замыкателя К средняя точка ИН соединяется с общей шиной ив L2 начинается усиление тока. При полном прерывании тока в L1 амплитуда тока в L2 может быть оценена из выражения:

12 =11(1 + М/Ь2 + Ь4/1^)/(1 + Ьз/Ь2 + Ц/Ь2).

На конечном этапе работы, при переходе ЭВП2 в режим взрыва и срабатывании неуправляемого обостряющего разрядника Р, энергия передается в нагрузку

На макете МУ проведено несколько серий экспериментов для определения параметров срабатывания ЭВП размыкателей и достижения максимальной величины усиления тока. На рис.10 приведены осциллограммы токов в L1, L2 и напряжений на краях ЭВП1 - Ц и Ц (см. рис.9) при напряжении зарядки конденсаторной батареи 2 кВ и зашунтированным

размыкателем ЭВП2 Сечение ЭВП1 было выбрано равным 2,65 мм2. В зависимости от окружающей ЭВП среды длина проводников и характеристики прерывания тока были различны. На рис. 10а приведены результаты эксперимента с дугогасящей средой на основе мелкодисперсного кварцевого песка, длина проводника 130 мм. Время прерывания тока составило 65 мкс, удельная вложенная энергия на стадии взрыва 2,2 кДж/г. На рис. 10б показаны результаты эксперимента с взрывом проводника в среде кварцевого песка, смешанным с техническим маслом, имеющим большую вязкость. Соответствующие величины равны: 70 мм, 30 мкс и 4,1 кДж/г. Наилучшие результаты получены при взрыве ЭВП в среде трансформаторного масла. Они приведены на рис.10в (65 мм, 25 мкс и 4,4 кДж/г, соответственно). Коэффициент усиления тока составил 1,7.

Ц к В I, кА

Рис.11

Результаты эксперимента с переключением тока в индуктивную нагрузку LH=0,1 МКГН приведены на рис.11. Размеры проводников: ЭВП1 -90 мм и 2,65 мм2, ЭВП2 - 20 мм и 3,5 мм2. Максимальный ток Ш в нагрузке составил 1,2 от величины зарядного тока I передний фронт импульса тока то 9=15 мкс. В качестве замыкателя средней точки ^ в экспериментах использовались полупроводниковые диоды.

Таким образом, коэффициент усиления тока в МУ оказался равным 1,7 и 1,2 при разряде на короткозамкнутую цепь и на индуктивную нагрузку,

соответственно. Длительность фронта импульса тока в нагрузке сокращена почти в 20 раз. Экспериментально подтверждена возможность использования в схеме МУ прерывателей тока на основе ЭВП с дугогасящей средой на основе мелкодисперсного кварцевого песка. Также был сделан вывод о том, что ИН для МУ для установки МОЛ для повышения магнитной связи между его элементами и снижения паразитной индуктивности токоподводов должен быть выполнен в тороидальной геометрии с параллельным включением секций.

В заключительном разделе 3-й главы представлена разработанная схема 65-виткового тороидального ИН для Магнитного усилителя стенда МОЛ, которая показана на рис.12. При зарядке пять витков во всех 13-ти секциях ИН включены последовательно, а сами секции - параллельно. Далее три витка в секциях отключаются, обеспечивая в оставшихся двух витках усиление тока. Параметры накопителя были определены на основании результатов расчетов и натурного макетирования двух его витков. ИН был спроектирован и в 2003г. изготовлен в НИИЭФА им.ДВ.Ефремова.

Рис. 12 Схема тороидального ИН для МУ стенда МОЛ.

Высота накопителя 2,2 м, наружный диаметр 1,9 м. Расчетная величина индуктивности отключаемой части L1 = l,l мкГн, индуктивности второй части L2=0,5 мкГн, коэффициента магнитной связи между ними к=0,9.

Четвертая глава посвящена исследованию работы отдельных элементов схемы стенда МОЛ и, в частности, численному моделированию работы Магнитного усилителя.

Для расчета параметров работы МУ была составлена электрическая

схема, показанная на рис.13. Элементы Ьо=10,4 мкГн и С1=3 мФ соответствуют накопителю ИН-1 и согласующей емкости. Величины магнитосвязанных индуктивностей ЬЫ и Ь2-1 - расчетные значения индуктивностей трех отключаемых и двух разрядных витков каждой секции. Элементы схемы 110=111=0,1 мОм и Ьк1=Ьк2=0,1 мкГн - сопротивления и индуктивности кабельных линий, величина индуктивности Ьк3=0,7 мкГн. Нагрузка ЬИ считалась постоянной и равной 0,1 мкГн.

Рис. 13 Электрическая схема МУ стенда МОЛ, использованная в расчетах.

Порядок работы усилителя аналогичен рассмотренной выше работе макета МУ. Зарядка МУ начинается при срабатывании размыкателя Ко. После окончания процесса передачи энергии и переходе всех ЭВП первой ступени в режим взрыва срабатывает защитный замыкатель К1 и 13 замыкателей К2-1 С этого момента за счет взаимной магнитной связи начинается усиление тока в 13 элементах Ь2-1, что сопровождается усиленным нагревом ЭВП второй ступени. При достижении напряжения на неуправляемых разрядниках Р1 - Р13 заданной величины, происходит их срабатывание, после чего начинается переключение тока в нагрузку ЬИ.

Для каждого из этапов работы схемы были составлены системы линейных дифференциальных уравнений. Для их решения автором была

создана программа численного счета. В этой программе омическое сопротивления электрически взрываемого проводника рассчитывалось через величину вложенной тепловой энергии: - на этапе нагрева,

- при взрыве. Использованные в модели электрического взрыва значения энергетических коэффициентов определены по результатам экспериментов на макете МУ (см. рис.11): у=1е-5 кг/Дж и 5=6,Зе-5 кг/Дж. Величина вложенной тепловой энергии на этапе нагрева ограничивалась величиной 2 МДж/кг, а при взрыве 4 МДж/кг.

Напряжение срабатывания разрядников задавалось величиной 10 кВ. Срабатывание всех коммутаторов, кроме ЭВП, считалось мгновенным. Счет останавливался при снижении тока в ЭВП второй ступени до величины, ниже 10 кА. Кроме этого, в момент срабатывания ЭВП2, сопротивление всех ЭВП1 искусственно увеличивалось для предотвращения возврата в них тока.

1г,МА II, кА

В ходе предварительных расчетов были определены размеры ЭВП: первая ступень - длина 0,4 м, сечение 4,5 мм2, вторая ступень - длина 0,3 м, сечение 6,5 мм2. Результаты расчета параметров МУ приведены на рис.14. При токе зарядки каскада 1=2,2 МА амплитуда тока в нагрузке LH составила 3,9 МА при длительности переднего фронта импульса тока в нагрузке То.9=20 мкс. Максимальное напряжение на нагрузке при передаче

Рис. 14 Результаты расчета токов в МУ, схема которого показана на рис.13.

200 3 00 ^ткс

энергии 30 кВ.

В рассмотренной схеме во время зарядки в МУ передается 7,4 МДж. После этапа умножения тока в МУ находится 6,0 МДж. В конечном состоянии, в каскаде МУ - LH остается 5,1 МДж.

С помощью созданной программы была решена и другая задача -определено допустимое отклонение размеров ЭВП первой ступени, при которых МУ сохраняет свою работоспособность. При большом количестве размыкателей размеры взрываемых проводников будут отличаться. Если изменение длины взрываемого проводника всего на несколько миллиметров не приведет к заметному перераспределению тока в секциях МУ, малое изменение его поперечного сечения вызовет более сильный эффект.

Рис.15 Результат расчета токов в секциях МУ.

На рис.15а,б приведены рассчитанные значения токов в секции МУ с измененным сечением ЭВП первой ступени. Размеры остальных 25-ти ЭВП не изменялись. Пунктирной линией показаны значения токов в соседних с ней секциях (слева и справа). Видно, что изменение сечения ЭВП в меньшую сторону приводит к уменьшению амплитуды тока в этой секции. За счет взаимной магнитной связи амплитуда тока в соседних секциях

увеличивается, приводя к преждевременному, примерно на 10 мкс, срабатыванию в них неуправляемых разрядников, подключающих нагрузку. В случае увеличения сечения ЭВП на 10% эффект менее выражен. Разница значений токов в соседних секциях усилителя по окончании расчета не превышает 4%.

На основе результатов численного моделирования работы МУ с разбросом сечения взрываемого проводника в пределах 10% в большую и меньшую стороны был сделан вывод о том, что допустимые границы отклонения поперечного сечения одного из ЭВП первой ступени, при которых существует эффект автосинхронизации прерывания тока в параллельных ЭВП размыкателях, составляют 5%.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработан, универсальный метод расчета параметров импульсной системы питания на основе секционированного ИН, формирующей в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока трапецеидальной формы. Использование данного метода позволяет рассчитать основные характеристики ИН по заданным параметрам нагрузки и импульса тока для систем энергопитания электрофизических установок различного применения.

2. При разработке проекта установки плазменного фокуса ПФ-100 рассмотрен вариант использования индуктивного накопителя ТИН-900 с пошаговой коммутацией индуктивно связанных секций. Исследована схема переключений, в которой одновременно с перераспределением токов в секциях, сохраняется силовое равновесие тороидальной системы накопителя. Результаты были использованы в эскизном проекте установки БАЙКАЛ, базовым элементом которой также является накопитель ТИН-900.

3. Проведена оптимизация системы питания электрофизической установки ПФ-100 на основе двух последовательных индуктивных каскадов по выходным параметрам импульса тока в нагрузке. При этом полагалось, что максимальный нейтронный выход пропорционален току в четвертой степени

плазменной оболочки на стадии кумуляции.

4. При разработке первого каскада усиления стенда МОЛ выполнен анализ различных способов предупреждения инверсии тока в концевых секциях соленоидального накопителя ИН-1. Один из способов, в котором предусматривается введение дополнительных индуктивностей в разрядные цепи предпоследних с каждого края накопителя секций, предполагается использовать в схеме стенда.

5. Предложена схема второго усилительного каскада стенда МОЛ -Магнитного усилителя, основанная на отключении части витков ИН, имеющих сильную магнитную связь. Работоспособность схемы усилителя с размыкателями на основе электрически взрываемых проводников проверена экспериментально на созданном рабочем макете устройства при токах до 120 кА и временах зарядки до 300 мкс. На макете получено 20-ти кратное обострение фронта импульса тока при одновременном увеличении его амплитуды в 1,2 раза.

6. На основе расчетов, результатов проведенных экспериментов и натурного макетирования элементов, разработана электромагнитная система 13-ти секционного тороидального ИН для МУ установки МОЛ. Накопитель был спроектирован и в 2003 г. изготовлен в ФГУП НИИЭФА им.Д.В.Ефремова.

7. Автором проведено математическое моделирование работы МУ стенда МОЛ с учетом динамики срабатывания 26-ти ЭВП размыкателей. Кроме определения рабочих параметров усилителя, показан эффект автосинхронизации прерывания тока в параллельных ЭВП размыкателях, обусловленный магнитной связью его секций. Разработанная численная модель работы каскада необходима для ввода МУ в рабочий режим, и его согласования со следующим усилительным каскадом стенда МОЛ -электромагнитным компрессором.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. А.П.Лотоцкий, М.К.Крылов, В.В.Кузнецов. Обобщенная модель системы импульсной передачи магнитной энергии // Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Труды 7-й международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. г.Саров, ВНИИЭФ, 1997. Т.2. - С.902-906.

2. A.P.Lototsky, E.A.Azizov, M.K.Krylov, N.V.Filippov. Preliminary estimations of a possibility of creation of inductive current source with power 1012 W for a large plasma focus device with energy ~ 100 MJ // IEEE International Conference on Plasma Science ICOPS-97 (San-Diego, USA). 1997. Conf. Rec. -Abstracts. - P. 177.

3. ЭААЗИЗОВ, ЕВ.Грабовский, В.П.Смирнов, А.П.Лотоцкий, М.К.Крылов и др. Проект «Байкал» - отработка схемы генерации электрического импульса // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2001. № 3. - С.3-17.

4. E.V.Grabovsky, A.P.Lototsky, M.K.Krylov, A.I.Kormilitsyn et al. Inductive cascade with electrically-explosive commutation to be used for electrical pulse power amplification // The 13 IEEE International Pulse Power Conference (Las Vegas, USA). 2001: - P. 1465-1469.

5. Е.В.Грабовский, А.П.Лотоцкий, М.К.Крылов, Э.Я.Школышков и др. Индуктивный каскад с электровзрывной коммутацией тока для усиления мощности электрического импульса // Приборы и техника эксперимента. 2002.№1.-С.76-79.

6. Е.В.Грабовский, А.П.Лотоцкий, А.Н.Грибов, М.К. Крылов, С.Д. Аванесов, В.Г.Кучинский и др. Магнитный соленоидальный накопитель ИН-1 с 30-ти кратным умножением тока // Девятая международная конференция по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Тезисы докладов. РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2002. - С.40.

•«••в

Подписано в печать 30.04.04 Формат 60x90/16. Гарнитура Times Cyr Уч. изд. листов 1.5. Тираж 50 экз. № заказа 2314

Подготовлено к изданию и отпечатано в ТРИНИТИ, 142092, г.Троицк, Моск. Обл.

Введение.

Глава 1. Схемы и составные элементы систем импульсной передачи магнитной энергии

1.1 Схемы импульсной передачи магнитной энергии.

1.2 Характеристики сильноточных коммутаторов и генераторов тока.

Выводы к главе

Глава 2. Определение параметров элементов индуктивных каскадов с различными схемами импульсной передачи энергии

2.1 Введение.

2.2 Расчет параметров каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока трапецеидальной формы

2.3 Тороидальный ИН в схеме пошаговой коммутации.

2.4 Соленоидальный накопитель в схеме с согласующей емкостью.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование работы Магнитного усилителя

3.1 Введение

3.2 Принцип работы и согласование параметров усилительного каскада

3.3 Проектирование и изготовление рабочего макета.

3.4 Эксперименты на макете Магнитного усилителя.

3.5 Определение параметров тороидального ИН для МУ стенда МОЛ.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Исследование работы отдельных элементов стенда МОЛ

4.1 Математическое моделирование работы Магнитного усилителя.

4.2 Исследование работы кабельной линии до согласующей емкости.

Выводы к главе 4.

Физика высоких плотностей энергии является фундаментальным направлением современной науки, в рамках которого проводятся исследования поведения вещества в сверхсильных магнитных полях, высокоскоростного ускорения макротел, исследования в области термоядерного синтеза. К ним же относятся разработки сверхмощных источников лазерного и мягкого рентгеновского излучений, применяемых в экспериментах по программам «инерциального» термоядерного синтеза.

Так как разрядная мощность используемых электрофизических установок обычно на много порядков превышает величину мощности, обеспечиваемой промышленной электрической сетью, в системах питания этих установок применяются различные устройства накопления и импульсного преобразования электромагнитной энергии.

Для накопления энергии широко используются емкостные накопители (ЕН) отличающиеся простотой, надежностью и невысокой стоимостью. Они способны продолжительное время хранить запасенную энергию и сравнительно быстро отдавать ее в нагрузку. Для работы небольшой установки с мощностью менее 1011 Вт и энергозапасом до 1 МДж необходимо несколько сотен конденсаторов, зарядное и управляемое коммутирующее устройство. Эти элементы, включая электрические разрядники с рабочим напряжением до 40 кВ, хорошо отработаны и освоены промышленным производством. С ростом масштаба установки и увеличением ее мощности увеличивается размер батареи, количество и длина силовых кабелей, усложняются элементы защиты и управления. При этом надежность работы системы в целом снижается. Несмотря на существенные успехи в разработке новых типов конденсаторов [1-3] их стоимость оказывается очень высокой для обеспечения физического эксперимента, соответствующего современному уровню исследований.

Вместо ЕН могут применяться индуктивные накопители энергии (ИН), плотность запасаемой энергии в которых на несколько порядков больше,' чем в конденсаторах [2, с.68]. При этом для работы ИН требуются сложные сильноточные высоковольтные прерыватели тока. Быстрое прерывание тока при относительно длительных временах накопления энергии в ИН (более 1 с) является непростой задачей, исследованию которой посвящено большое количество работ [5,6]. Разработаны конструкции многоступенчатых выключателей с большой величиной токонесущей способности (произведение величины тока через размыкатель на длительность импульса тока) и быстрым обрывом цепи, что достигается параллельным включением размыкателей с различными характеристиками. Однако в таких устройствах импульс разрядного напряжения прикладывается ко всей параллельной цепочке и поэтому требования к электрической прочности одинаковы для каждой ступени выключателя. По этой же причине мощность, которая может быть получена с одного ИН, ограничивается величиной 1010 Вт [7]. В схемах с умножением тока при разряде нескольких параллельных секций ИН, мощность разрядного импульса может быть увеличена до 1011 Вт.

Ряд установок с импульсной мощностью такого масштаба был создан в 70-е годы прошлого века в ГНЦ РФ ТРИНИТИ - в то время филиале Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (г.Троицк, Московская область. Далее ТРИНИТИ). По программе лайнерного термоядерного Э-пинча с магнитной термоизоляцией Э.А.Азизовым и И.В.Кочуровым были проведены исследования работы взрывных коммутаторов тока [15] и выполнены первые опыты по магнитному сжатию лайнера в соленоидальной катушке [16]. Создание системы с 30-ти секционным индуктивным накопителем на 20 МДж [17] было остановлено в связи с реализацией приоритетных задач по токамакам.

В установках с энергозапасом порядка 10 МДж и выше применение ИН может быть оправданно при введении дополнительного каскада усиления мощности - импульсного накопителя, плотность энергии в котором не должна быть меньше, чем у ИН. Применение каскада с еще одним ИН до определенного времени наталкивалось на ограничение доли передаваемой магнитной энергии. Альтернативных согласующих устройств, за исключением передающей цепи с мотор-генератором ударного действия [18], за прошедшие годы изобретено не было. Стоит отметить, что согласующий элемент между двумя ИН должен быть преобразователем вида энергии, способным «пропустить» через себя импульсным образом значительную часть начального энергозапаса. К тому же, если такое устройство и удается создать, то оно обоснованно может быть использовано и в качестве первичного устройства накопления энергии, работающего непосредственно на нагрузку. Необходимость в первичном ИН отпадает. Из разработанного согласующего мотор-генератора через некоторое время получился перспективный самостоятельный источник энергии -компульсатор [19].

В середине 80-х годов в ТРИНИТИ научным руководителем данной работы был предложен новый способ импульсной передачи магнитной энергии между индуктивными накопителями, позволяющий обойти ограничение по величине передаваемой магнитной энергии. Он был обоснован в серии теоретических работ и проверен экспериментально [20-22,29]. Идея способа заключалась в организации импульсного дискретного процесса включения секционированного ИН. В течение короткого времени была выполнена серия работ по оптимизации предложенного способа. Значительный вклад был внесен научными коллективами ТРИНИТИ и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры (ФГУП НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, г.Санкт-Петербург. Далее НИИЭФА.) под руководством Э.А.Азизова, В.А.Ягнова, А.М.Столова и В.Г.Кучинского. Разработаны различные варианты схемотехнических решений в которых величина переданной в индуктивную нагрузку магнитной энергии может достигать величины 0,7 и более от первоначально запасенной в ИН [30,31]. Таким образом, была принципиально решена проблема согласования усилительных каскадов на основе ИН, что открывало возможность создания источников электрических импульсов с запасаемой энергией более

100 МДж и мощностью свыше 10 Вт [32]. В таких системах коммутаторы -выключатели токов в разных каскадах функционально разделены как по временам зарядки, так и по уровням разрядных напряжений.

Работы по магнитным накопителям были связаны с создающимся в то время энергокомплексом токамака с сильным полем Т-14 (ТСП) с тороидальным индуктивным накопителем ТИН-900 (запасаемая энергия до 900 МДж). Накопитель был разработан и изготовлен в НИИЭФА. Непосредственно, ТСП предназначался для исследований по адиабатическому сжатию и нагреву термоядерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем. Из ТИН-900 в катушки тороидального поля токамака передавалось до 130 МДж [8,33]. В следующей модификации токамака ТСП-2АС предполагалась импульсная передача уже более 500 МДж. Была сделана попытка оценить возможность использования накопителя ТИН-900 в схеме вывода энергии основанной на переключении; витков вторичной обмотки для питания установки большого плазменного фокуса [34,35,47]. Исследовались и другие схемы использования ИН, например, для питания квазипостоянных электромагнитов, способных генерировать сильные магнитные поля [36,48].

На установке АНГАРА (ТРИНИТИ) достигнуты существенные успехи по генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ), используемых для нагрева термоядерных мишеней. Согласно результатам экспериментов по быстрому сжатию лайнеров на подобных установках, в том числе Ъ (Сандиа, США), при токе 50 МА уровень энергии излучения превысит 10 МДж, что обеспечит поджиг термоядерной мишени с коэффициентом усиления много большим 1. В связи с этим, Минатомом РФ была поставлена задача разработки; проекта БАЙКАЛ - большой электрофизической установки с инерциальным удержанием. Она полностью основана на магнитном накоплении и преобразовании энергии и по своим параметрам на порядок величины превышает существующие в мире установки. В качестве базового накопителя этой установки использован накопитель ТИН-900, дополненный несколькими последовательными каскадами усиления тока и мощности. Схема установки БАЙКАЛ приведена на рис.А.1 (приложение А) [4,49].

Основные параметры установки БАЙКАЛ:

- ток в нагрузке 50 МА

- мощность электрического импульса 500-1 ООО ТВт

- метод генерации МРИ сжатие плазменных оболочек

- длительность импульса тока в фазе сжатия лайнерной нагрузки 100-300 не

- энергия МРИ излучения 10 МДж

- длительность импульса излучения ~10 не

Проектируемая установка является лабораторной, что дает возможность проводить систематические научные исследования. В разработке проекта принимают участие ведущие институты страны: РНЦ «Курчатовский институт», ТРИНИТИ, НИИЭФА, РФЯЦ-ВНИИТФ (г.Снежинск, Челябинская обл.) и другие. Практическое исследование каждого каскада обострения мощности проводится на экспериментальном стенде МОЛ, который создается в ТРИНИТИ с 1999 г. Стенд является аналогом одного модуля установки БАЙКАЛ [49 - 52]

Энергоемкие ИН представляют собой, как правило, систему многовитковых катушек, взаимоиндукция которых при импульсном разряде приводит к перераспределению магнитных потоков и токов в ИН. Техническая реализация мощных систем, например, рассматриваемого в работе стенда МОЛ, была бы невозможна без учета этих эффектов, а работа исследованного автором Магнитного усилителя мощности напрямую основана на передаче энергии между витками ИН, имеющими магнитную связь. В этом ряду особое место занимают импульсные системы передачи энергии с дискретным преобразованием схемы, для которых задачи определения влияния магнитной связи между секциями на разрядные характеристики ИН были поставлены и решены впервые.

Цель диссертационной работы

Целью работы является исследование разрядных режимов индуктивных накопителей с сильной магнитной связью между секциями и разработка схемы усилителя мощности для стенда МОЛ.

Актуальность темы

Постановка основных исследуемых задач была ориентирована на решение ряда электрофизических проблем, связанных с созданием установки МОЛ и разрабатываемым проектом установки БАЙКАЛ.

Научная новизна

1. Впервые проведен подробный анализ перераспределения токов в тороидальном и соленоидальном ИН с сильной магнитной связью между секциями. Анализ выполнен для пошаговой и синхронной передачи энергии в нагрузку.

2. Исследованы способы предотвращения инверсии тока в крайних секциях соленоидального ИН, основанные на различных принципах.

3. Экспериментально исследована; схема Магнитного усилителя тока и мощности с размыкателями тока на основе электрически взрываемых проводников (ЭВП). Показана работоспособность этих размыкателей с дугогасящей средой на основе мелкодисперсного кварцевого песка при прерывании тока амплитудой более 100 кА при временах зарядки до 300 мкс. Получено сокращение фронта импульса тока в нагрузке в 20 раз при одновременном увеличении его амплитуды на 20%.

4. Предложена схема Магнитного усилителя тока (МУ) для стенда МОЛ на основе тороидального ИН и ЭВП размыкателями и рассчитаны его рабочие параметры.

5. Предложен универсальный метод расчета параметров индуктивного каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока с заданными амплитудой и длительностью.

В настоящей работе приведены результаты, полученные автором в период с 1995 по 2003 г. при разработке проекта установки ПФ-100 и работе над первыми двумя каскадами строящейся установки МОЛ.

Диссертационная работа содержит 112 страниц, 70 рисунков, 1 таблицу и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Автором опубликовано 15 научных работ, 6 из них по теме диссертации [35,47,49,51,52,57].

Выводы к главе 4

1. С помощью разработанной автором программы моделирования работы МУ стенда МОЛ учитывающей магнитную связь между его секциями и динамику прерывания тока двумя группами электровзрывных размыкателей тока, рассчитаны его рабочие параметры. Модель взрыва проводников была предварительно проверена по результатам экспериментов на малом макете МУ, представленных в 3 главе данной работы.

2. Показано, что при отклонении размеров одного из ЭВП первой ступени в пределах 5%, магнитная связь между секциями МУ способствует выравниванию токов в секциях накопителя и обеспечивает автосинхронизацию срабатывания параллельных ЭВП размыкателей.

3. Расчетная программа является необходимым инструментом для введения в эксплуатационный режим Магнитного усилителя, индуктивный накопитель для которого изготовлен и монтируется на стенде МОЛ.

Заключение

В работе представлены результаты исследований, проведенных автором при разработке проекта энергосистемы большого плазменного фокуса ПФ-100 и; создании первых двух каскадов стенда МОЛ, являющегося аналогом одного модуля установки БАЙКАЛ. В дополнение к выводам, приведенным в конце каждой главы, необходимо отметить наиболее важные полученные результаты.

1. Разработан универсальный метод расчета параметров импульсной системы питания на основе секционированного ИН, формирующей в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока трапецеидальной формы. Использование данного метода позволят рассчитать основные характеристики секционированного ИН по заданным параметрам нагрузки и импульса тока для систем энергопитания электрофизических установок различного применения. В работе приведено сравнение эффективности работы ИН с двумя общими схемами пошаговой коммутации секций.

2. При разработке проекта установки плазменного фокуса ПФ-100 рассмотрен вариант использования индуктивного накопителя ТИН-900 с пошаговой коммутацией индуктивно связанных секций. Исследована схема переключений, в которой одновременно с перераспределением токов в секциях, сохраняется силовое равновесие тороидальной системы накопителя. Результаты этих исследований использованы при проектировании установки БАЙКАЛ, базовым элементом которой также является накопитель ТИН-900.

3. Проведена оптимизация системы питания электрофизической установки на основе двух последовательных индуктивных каскадов по выходным параметрам импульса тока в нагрузке, в частности, току ПФ в четвертой степени на стадии кумуляции, что теоретически должно соответствовать максимальному выходу нейтронов из объема сжатой нагретой плазмы.

4. При разработке первого каскада усиления стенда МОЛ выполнен анализ различных способов предупреждения инверсии тока в концевых секциях соле-ноидального накопителя ИН-1. Один из способов, в котором предусматривается введение дополнительных индуктивностей в разрядные цепи предпоследних с каждого края накопителя секций, предполагается использовать в схеме стенда.

5. Предложена схема второго усилительного каскада стенда МОЛ -Магнитного усилителя, основанная на отключении части витков ИН, имеющих сильную магнитную связь. Работоспособность схемы усилителя с размыкателями на основе электрически взрываемых проводников была проверена экспериментально на созданном рабочем макете устройства при токах до 120 кА и временах зарядки до 300 мкс. На макете получено 20-ти кратное обострение фронта импульса тока при одновременном увеличении его амплитуды в 1,2 раза.

6. На основе расчетов, результатов проведенных экспериментов и натурных измерений, разработана электромагнитная система 13-ти секционного тороидального ИН для МУ установки МОЛ с энергоемкостью 7 МДж. Накопитель был спроектирован и в 2003 г. изготовлен в ФГУП НИИЭФА им. Д.В .Ефремова.

8. Автором проведено математическое моделирование работы МУ стенда МОЛ с учетом динамики срабатывания 26-ти ЭВП размыкателей. Кроме определения рабочих параметров усилителя, показан эффект автосинхронизации прерывания тока в параллельных ЭВП размыкателях, связанный с магнитной связью между секциями. Разработанная численная модель работы каскада необходима для ввода МУ в рабочий режим, а также его согласования со следующим усилительным каскадом стенда МОЛ - электромагнитным компрессором.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. А.П. Потоцкому за постановку ряда задач, неоднократное обсуждение полученных результатов и помощь в подготовке работы к публикации, начальнику отдела ГНЦ РФ ТРИНИТИ Е.В.Грабовскому и другим сотрудникам, работающим над созданием стенда МОЛ, за организационную и техническую помощь в подготовке и проведении экспериментов. Также, автор признателен В.А.Ягнову и А.М.Житлухину за ряд полезных замечаний, сделанных во время подготовки окончательного варианта рукописи диссертационной работы.

1. Емкостные накопители предельных параметров для электрофизических установок / П.Н.Дашук, С.Л.Заенц и др. // Известия АН СССР. Серия: Энергетика и транспорт. 1977. № 6. С.32-42.

2. Накопители энергии / Д.А.Бут, Б.Л.Алиевский, С.Р.Мизюрин, П.В.Васюкевич. М.: Энергоатомиздат, 1991: - С.168-182.

3. Pulse power capability of high energy density capacitors based on a new dielectric material / P.Winsor, T.Scholz, M.Hudis, K.Slenes // 12-th IEEE International Pulsed Power Conference (Monterey, USA). 1999. P.102-105.

4. Superfast liner implosion physics study and development of X-ray facility based on 900-MJ inductive store / E.V.Grabovski, E.A.Azizov, A.P.Lototsky, S.L. Nedoseev et al. Там же, p.754-757.

5. J.J.Hahne, R.J.Hayes. Operating experience with the 90 mm railgun at CEM-Ut // IEEE Transaction on Magnetics, 1993. v 22, №1.- P.407-412.

6. В.АЛебедев, Д.ПЛепер, В.А.Ягнов. Коммутация тока из быстродействующего размыкателя в шунтирующий проводник // Журнал прикладной механики и технической физики. Новосибирск: Наука, 1982. № 6. С.41-46.

7. Ф.М.Спевакова, А.М.Столов. Принципы построения системы электропитания термоядерных установок типа токамак. Там же, с.21-48.

8. Ю.А.Котов, А.ВЛучинский. Усиление мощности емкостного накопителя прерывателем тока на электрически взрываемых проволочках. Там же, с. 190.

9. Э.А.Азизов, Б.Д.Янковский. Взрывные размыкатели тока. Там же, с.224-236.

10. П.И.В.Грехов. Импульсная коммутация больших мощностей полупроводниковыми приборами. Там же, с.237.

11. Г.С.Кучинский, П.И.Шкуропат, Г.А.Шнеерсон. Генераторы больших импульсных токов. Там же, с. 149.

12. Г.А.Швецов Взрывные МГД-генераторы. Там же, с.253.

13. Проблемы накопления и преобразования электромагнитной; энергии в импульсных системах питания с индуктивными накопителями / Б.А.Ларионов, Ф.М.Спеваков, А.М.Столов, Э.А.Азизов. Там же, с.66-104.

14. Э.А.Азизов, Н.А.Ахмеров, К.И.Козорезов, В.В.Семченко. Коммутационные характеристики взрывных размыкателей с быстрым разрушением контактного элемента // ПМТФ. Новосибирск: Наука, 1978. С.46-50.

15. Э.А.Азизов, И.В.Кочуров. Исследование процессов и эффективности вывода энергии из секционированного индуктивного накопителя с умножением тока в толкающую катушку с лайнером. Препринт ИАЭ-2739. Москва, 1976.

16. А.П.Лотоцкий. Физические механизмы при выводе магнитной энергии из индуктивных накопителей в мощных импульсных системах. Дис. на соиск. уч. ст. доктора физ.-мат. наук. Москва, 2000.

17. Т. A.Carrol, P.Chawdhuri, J.Marshall: Electromechanical capacitor for energy transfer // IEEE Power electronic specialist conference. Albuquerque. N.M., 1983. Rep. LA-UR-83-1598.

18. W.A.Walls, V.L.Spann. Design of a self-excited air-core compulsator for a skid-mounted repetitive fire 9MJ railgun System // Trans. Magn., 1989.1 V.25, № 1.

19. А.П.лотоцкий. О перспективах использования индуктивных накопителей энергии для питания мощных импульсных магнитных систем. Препринт ИАЭ-3714/14.-Москва, 1982 г.

20. А.С.1001200 (СССР). Способ передачи электромагнитной энергии / А.П.Лотоцкий. Опубликовано в Б.И., 1983, № 8.

21. А.П.Лотоцкий. Генерация сильных магнитных полей в камере термоядерной установки с адиабатическим сжатием плазмы // Доклады 3 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов.-Л.: НИИЭФА, 1984. Т.З. С.127.

22. Повышение эффективности вывода энергии из индуктивного накопителя в схемах умножения тока / А.В.Мазулин, В.И.Нехаев, Г.В.Рябцев, К.П.Рязанов, В.Н.Щербицкий, В.А.Ягнов. Там же, с. 134.

23. Т.Г.Ахматова, Г.С.Кичаева, П.И.Шкуропат. Вакуумный разрядник на 100 кВ и 1,5 МА для стартового и кроубарного режимов работы в емкостном накопителе энергии. Там же, с.208-216.

24. Высоковольтные управляемые разрядники для систем коммутации мегаамперных токов в емкостных накопителях энергии / Т.Г.Ахматова, Ю.Н.Бочаров, П.Н.Дащук и др. Там же, с.216-223.

25. И.А.Глебов. Проблемы создания источников питания для термоядерных реакторов. Там же, с.3-18.

26. Ударные униполярные генераторы для термоядерных исследований / В.В.Харитонов, Г.А.Баранов, Е.А.Безгачев и др. Там же, с.87.

27. Методика определения оптимальных удельных характеристик компрессионного генератора / А.С.Дружинин, В.Г.Кучинский, Е.В.Секо, В.Ф.Сойкин. -Там же, с. 196-203.

28. Питание индуктивной нагрузки от ИН по схеме удвоения тока / А.В.Мазулин, В.А.Ягнов и др. Препринт ИАЭ-4543/8. Москва, 1987 г.

29. А.П.Лотоцкий. Об эффективности передачи магнитной энергии из индуктивных накопителей // Электричество. 1985. № 6. С.64-65.

30. Проблемы высокоэффективной передачи энергии из индуктивного накопителя в индуктивную нагрузку / А.С.Дружинин, В.Г.Кучинский, Б.АЛарионов, А.М.Столов, А.П.Лотоцкий, В.А.Ягнов // ВАНТ, Серия: Термоядерный синтез. 1987. №11 С.50-56.

31. Э.А.Азизов, И.А.Иванов, А.П.Лотоцкий. Каскадные системы с индуктивными накопителями // Электричество. 1990. № 4. С.25-31.

32. Основные физические и инженерные проблемы создания токамака с сильнымполем и адиабатическим сжатием плазмы / Э.А.Азизов и др. // Атомная энергия. 1982. Т.52, №2. С.108-112.

33. Ж.Обер, М.Дюбуа, В.Г.Кучинский. Импульсные системы питания для создания сильных магнитных полей. Там же, с.607-611.

34. Д.Ф.Алферов, В.А.Воздвиженский, В.А.Сидоров. Состояние разработок управляемых вакуумных разрядников в ВЭИ им.В.И.Ленина и перспективы их применения. Там же, с.632-636.

35. Дирак: серия экспериментов по изучению физики и химии в сверхсильных магнитных полях / Дж.Солем, К.М.Фаулер и др. Там же, с.772.

36. Поиск квантового предела в металлах малой размерности / Дж.Брукс, Р.Г.Кларк, О.М.Таценко, К.М.Фаулер и др. Там же, с.778-786.

37. Экстремальное значение квантового предела в разбавленных 20 и ЗБ электронных системах / Б.Е.Кейн, Н.Миура, Дж.С.Брукс, и др. Там же, с.787-794.

38. Б.Э.Фридман, Ф.Г.Рутберг. О создании высоких давлений при помощи импульсов тока 10 МА длительностью свыше 60 мкс для экспериментов по изучению фазовых превращений веществ. Там же, с.601-606.

39. Ф.Герлах, М.Фон Ортенберг. Мегагауссные поля в Европейском союзе. -Там же, с.175-180.

40. Основные идеи конструкции неразрушаемой магнитной системы США на 100

41. Тл / Х.Шнайдер-Мунтау, Х.Дж.Бенит и др. Там же, с. 192-205.

42. Новые разработки по импульсным полям в национальной лаборатории сильных магнитных полей США / Л.Дж.Кемпбелл, П.Пернамбуко-Визе и др. Там же, с.206-210.

43. Прогресс в экспериментальных исследованиях параметров замагниченной плазмы в системе МАГО / Г.И.Волков, А.Н.Демин, Ю.Н.Долин и др. -Там же, с.709-713.

44. В.К.Чернышев. Сверхмопщые взрывомагнитные источники энергии для термоядерных и физических исследований. Там же, с.41-58.

45. Э.А.Азизов, А.П.лотоцкий. Структура и оптимальные параметры секционированных индуктивных накопителей: для импульсного питания больших магнитов // Электричество. 1990. № 3. С.25-31.

46. Проект «Байкал» отработка схемы генерации электрического импульса / Э.А.Азизов, Е.П.Велихов, Е.В.Грабовский, В.П.Смирнов, АЛЛотоцкий, М.К.Крылов и др. //ВАНТ, Серия: Термоядерный синтез. №3,2001. - С.3-17.

47. Development of X-ray facility BAIKAL based on 900MJ inductive store and related problems / E.V.Grabovsky, E.A.Azizov et al. // The 13-th IEEE International Pulsed Power Conference (Las Vegas, USA). 2001. P.773.

48. Inductive cascade with electrically-explosive commutation to be used for electrical pulse power amplification / E.V.Grabovsky, A.P.Lototsky, M.K.Krylov, A.I. Kormilitsyn et al. Там же, p.1465-1469.

49. Новый автономный сверхкомпактный взрывной источник с рекордным выходом 4кА/50мкс, основанный на размагничивании поперечной ударной волной 50см3 жесткого ферромагнетика NcfeFe^ для питания MKT / Е.Ф.Таланцев, С.ИЛПкуратов и др. Там же, с.50.

50. Пьезокерамический источник питания ВМГ с линейным нарастанием тока / В.Д.Садунов, В.А.Демидов, А.Л.Михайлов и др. Там же, с.44.

51. Ф.Герлах. Критические оценки методов генерирования сильных магнитных полей. Там же, с. 16.

52. В.А.Сидоров, Д.Ф.Алферов, В.П.Иванов. Сильноточные вакуумные разрядники и высоковольтные коммутирующие устройства на их основе. -Там же, с.76-77.

53. Индуктивный каскад с электровзрывной коммутацией тока для усиления мощности электрического импульса / Е.В.Грабовский, А.П.Лотоцкий, М.К.Крылов, Э.Я.Школьников и др. // ПТЭ. 2002. № 1. С.76-79.

54. Е.П.Дик, К.Х.Дустман. Передача энергии ИН с помощью изолированного конденсатора. Там же, с.444-452.

55. Мощный импульсный генератор со взрывающимися фольгами / Дж.Бенфорд, Г.Келвин, Я.Смит, Г.Аслин. Там же, с.56-73.

56. С.Ф.Цукер, У.Г.Бостик. Теоретические и практические аспекты накопления и сжатия энергии. Там же, с.94.

57. П.Р.Мезонье, И.Ж.Линхарт, Л.К.Гурлан. Быстрая передача энергии с помощью взрывающихся фольг // ПНИ. 1966. № 10. С.96-101.

58. В.А.Бурцев, В.ПЛитуновский, В.Ф.Прокопенко. Исследование электрического взрыва фольг // ЖТФ. 1977. Т.47, вып.8. С. 1642-1661.

59. А.П.Потоцкий. Высокоэффективная импульсная передача магнитной энергии для термоядерных установок с магнитным удержанием. Препринт ИАЭ-4290/7. Москва, Цнииатоминформ, 1986. - С.12.

60. В.А.Трухин. Анализ влияния диффузии поля на зарядку индуктивного накопителя и особенностей разряда секционированных систем с применением к расчету тороидальных намоток D-профиля. Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Москва, 1979. - С.54.

61. А.с. СССР №625643. Способ передачи энергии / К.Риукс, М.Лежантный. Опубл. в Б.И., 1978, №35.

62. Zucker, J.Wyatt, K.Linder. The Meat Grinder: Theoretical, and practical limitations // IEEE Transactions on Magnetics. 1984. Vol. Mag-20, N2. -p.391-394.

63. New high current Meat Grinder experiments / D.Giory, J.Long et al. // IEEE Transactions on Magnetics. 1986. Vol. Mag-22, N6. P.1485-1488.

64. Управление током индуктивного накопителя энергии при разряде на комплексную нагрузку / В .В .Андрианов, В.П.Баев, Н.А.Казанцев, В.Е.Осташев, М.Б.Париж. Препринт ИВТАН № 3-201. М., 1986 г.

65. Мощный трехступенчатый коммутатор для электроразрядного устройства на основе секционированного накопителя энергии / И.А.Иванов, А.П.Лотоцкий, Н.П.Пугачев, В.А.Трухин // ПТЭ. 1982. № 4. С.104-108.

66. Г.И.Долгачев, А.Г.Ушаков. О предельных параметрах плазменного прерывателя тока // Физика плазмы. 2001. Т.27. С.121-130.

67. А composite POS: first proof-of-principle results from GIT-12 / A.S.Chuvatin, A.A.Kim, V.A.Kokshenev et al. // The 11-th IEEE International Pulsed Power Conference (Baltimore, USA). 1997. P.261-268.

68. D.F.Alferov, V.P.Ivanov, VA.Sidorov. High Current vacuum Switching Devices for Pulsed Power Technologies. Там же, p.857-861.

69. B.M.Kovalchuk. Multi gap spark switches. Там же, p.59.

70. V.A.Zeigarnik, V.A.Novikov, V.Yu.Rickman. Pulsed MHD power: state-of-the-art and prospects of development. Там же, p.503-508.

71. В.А.Сидоров, Д.Ф.Алферов. Электрическая прочность сильноточных вакуумных управляемых разрядников // ПТЭ. 2001. № 1. С.92-100.

72. Е.П.Велихов, Ю.М.Волков. Перспективы развития импульсной МГД-энергетики и ее применение в геологии и геофизике. Препринт ИАЭ-3435/6. -Москва, 1981 г.

73. R.Ford, M.Kahn. An evaluation of nonlinear resistors for pulsed power switching // The 5-th IEEE Pulsed Power Conf. (Arlington, USA). 1985. P.652-655.

74. Н.В.Филиппов. Обзор экспериментальных работ, выполненных в ИАЭ им.И.В.Курчатова // Физика плазмы. 1983. Т.9, с.25.

75. П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин. Расчет индуктивностей. Москва: Энерго-атомиздат, 1986.

76. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности / М.В.Немцов, Ю.М.Шамаев. М.: Энергоатомиздат, 1981.

77. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред / Серия Теоретическая физика, т.УШ / Издание третье. М.: Наука, 1992. - С. 185.

78. И.А.Иванов, В.А.Трухин. О разряде индуктивного накопителя при подключении активных нагрузок к секционированной намотке // Известия Академии Наук СССР, Энергетика и транспорт. 1979. №4. С. 107-114.

79. Г.А.Шнеерсон. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. Москва: Энергоатомиздат, 1992. - С.46.

80. Д.Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. Москва: Издательство Мир, 1971 г.

81. Справочник «Физические величины». -М., Энергоатомиздат, 1991 г.

82. Г.А.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. — Москва: Издательство МИР, 1972 г.

83. Разработка расчетной модели и вычисление электромагнитных нагрузок на магнитный усилитель установки «Байкал» / В.М.Амосков, А.В.Белов, Т.Ф.Белякова и др. г.Санкт-Петербург, НИИЭФА, 2001.

84. Д.В.Алферов, В.АНевровский, В.АСидоров. Статистические свойства электрической прочности управляемых вакуумных разрядников // Приборы и техника эксперимента. 2004. № 1. -С.71-76.