Исследование, разработка и внедрение методов диагностики разряда мощного емкостного накопителя энергии установки ИСКРА-5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВНИИ

ЭФ

РОССИИСКИИ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ГУДОВ Сергей Николаевич

РГБ ОД

2 8 МАР Ш

УДК 621.039.637

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ РАЗРЯДА МОЩНОГО ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ УСТАНОВКИ ИСКРА-5

Специальность: 01.04.01-"техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований"

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

РФЯЦ-ВНИИЭФ - 2000

Работа выполнена в Российском Федеральном Ядерном Центре - Всероссийском Научно - Исследовательском Институте Экспериментальной Физики.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук В.М.Муругов Официальные оппоненты:

доктор технических наук Астайкин А.И.

кандидат физико-математических наук Бродский Ю.Я.

Ведущая организация:

Институт проблем электрофизики РАН, г.Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится " pt/j . 2000 года

часов на заседании Специализированного Совета CCI 124.02.02 по присуждению ученой степени кандидата наук в РФЯЦ-ВНИИЭФ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

И ■

Автореферат разослан " 2000 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

доктор физико-математических Б.Л.Воронин

> Ев Н - О ВЪЪЪ.НЧ-ОЬ

Общая характеристика работы.

Диссертация посвящена разработке и исследованиям системы диагностики мощного емкостного накопителя энергии, являющегося составной частью системы импульсного питания источников накачки йодного лазера установки ИСКРА-5.

Актуальность работы.

Мощная лазерная установка ИСКРА-5 создана в РФЯЦ-ВНИИЭФ в 1975-1988 годах. На установке проводится широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований в области лазерного термоядерного синтеза, а также решается ряд вопросов оборонной направленности.

По совокупности достигнутых параметров (Ел=30кДж, 1имп=0.25нс, Рл=120ТВт) установка является крупнейшей в Европе и одной из самых мощных в мире.

Проектирование установки ИСКРА-5 определило актуальность работы по созданию системы импульсного питания, предназначенной для обеспечения электрической энергией импульсных источников света, используемых для накачки рабочей среды лазерных усилителей. Система импульсного питания является одной из наиболее ответственных, дорогостоящих и технически сложных подсистем лазерной установки. Необходимым условием успешной эксплуатации системы импульсного питания является ее диагностирование, как на стадии заряда, так и во время разряда. Своевременная и полная диагностика работоспособности емкостного накопителя энергии позволяет определить

дефектный высоковольтный элемент, заменить

его на новый и, тем самым, обеспечить надежную работу системы импульсного питания лазера. Поэтому при проектировании установки ИСКРА-5 была вполне очевидна актуальность создания системы диагностики как подсистемы импульсного питания.

Цели и задачи работы.

Основной целью данной работы являлась разработка методов диагностики разрядных процессов в ячейках емкостного накопителя энергии и создание соответствующей системы диагностики применительно к условиям работы установки ИСКРА-5.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Теоретически и экспериментально исследовать процессы разряда различных типов конденсаторных ячеек на источники накачки, соединенные с коммутатором коаксиальными линиями связи.

2. Выбрать наиболее информативный физический параметр измерения, характеризующий переходные процессы в разрядных контурах и позволяющий определять максимальное число отказов элементов ячеек.

3. Разработать структурную схему систем измерений на основе функциональной схемы системы импульсного питания лазера.

4. Обеспечить достаточную точность измерений и высокую степень автоматизации процесса диагностирования.

5. Обеспечить электромагнитную совместимость аппаратуры измерений с системой импульсного

питания лазерной установки.

6. Разработать эффективные методы хранения и обработки больших объемов экспериментальной информации.

7. Выработать критерии обнаружения отказов в ячейках на основании данных диагностики.

8. Спрогнозировать возможные появления отказов элементов накопителя энергии в предстоящих экспериментах.

9. Определить степень влияния отказов ячеек накопителя энергии на параметры лазерного излучения установки.

10.Экспериментально исследовать характеристики и работоспособность подсистем импульсного питания на созданной элементной базе.

11.Обеспечить во время эксплуатации требуемые технические характеристики системы ИП.

Научная новизна проведенной работы

заключается в следующем:

1. В исследовании переходных процессов в разрядных контурах ячеек накопителя энергии и в разработке на их основе методов диагностирования работы ячеек путем регистрации характерных интервалов времени и в сравнении их с известными номинальными значениями.

2. В выборе, разработке и внедрении в эксплуатацию многоканального измерительного комплекса, позволяющего одновременно регистрировать времена срабатывания 665 разрядников и 1100 источников накачки с погрешностью менее 2%.

3. В исследовании и разработке технических решений по обеспечению электромагнитной совместимости аппаратных средств диагностики с мощным

накопителем энергии (с суммарным током разряда до 150МА). Высокая помехоустойчивость измерений получена за счет выбора рациональных схемных решений, как в высоковольтных ячейках накопителя, так и в системах контроля их работы, продуманной и физически обоснованной системы ' заземления, гальванической развязки датчиков сигналов от накопителя, использовании световолоконных импульсных линий связи и др. 4. В результатах исследований с помощью методики импульсной диагностики работы мощного емкостного накопителя энергии, собранного на отечественной элементной базе. Обобщение полученных результатов позволило выявить важную роль стабильности работы накачки первых каскадов усиления в лазерных каналах и выработать меры для достижения этой цели.

Практическая значимость работы состоит в том, что внедрены в эксплуатацию методы и средства диагностики разряда на нагрузку мощного емкостного накопителя энергии, позволяющие своевременно определять отказы высоковольтных элементов ячеек, что в значительной степени повысило надежность работы системы импульсного питания и способствовало решению крупной научно-технической задачи по созданию на отечественной элементной базе йодного лазера установки ИСКРА-5 с рекордными параметрами - запасаемой энергией 67МДж при рабочем напряжении 50кВ и временем ввода этой энергии в нагрузку 35мкс. Разработанные методы диагностики разряда накопителя энергии установки ИСКРА-5 могут быть использованы при создании аналогичных и более крупных

конденсаторных батарей для проектируемых в настоящее время установок в России и в мире.

Личный вклад автора в представленную работу выразился:

• в непосредственном творческом участии в разработке и внедрении методов и систем диагностики разряда мощных емкостных накопителей энергии лазерных установок;

• в проведении с участием измерительных средств пуско-наладочных работ системы импульсного питания и исследований, направленных на получение проектных технических характеристик;

• в поддержании в рабочем состоянии в течение 10 лет емкостного накопителя энергии установки ИСКРА-5 с помощью анализа экспериментальных данных и оперативного определения отказов высоковольтных элементов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 5-й Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, г.Ленинград, 1990 г., международных конференциях IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Albuquerque, USA 1995, IEEE Intern.Conf."Beams-96" Prague, Chesh Resp. 1996, научных семинарах ВНИИЭФ.

По результатам исследований получено авторское свидетельство на изобретение, выпущено 19 научно-исследовательских отчетов ВНИИЭФ, опубликовано 3 статьи.

Из представленных в диссертации результатов автор выносит на защиту следующие положения: 1. Исследования физических параметров переходных процессов в разрядных контурах высоковольтных

ячеек, позволившие на основе измерения характерных интервалов времени разработать и внедрить новый метод импульсной диагностики разряда на нагрузку мощного емкостного накопителя энергии.

2. Создание комплекса многоканальной аппаратуры, обеспечивающего измерение 5000 временных интервалов в диапазоне 50нс-50мкс с погрешностью не более 2%, что позволило оперативно получать информацию о работоспособности основных систем накачки установки ИСКРА-5 в условиях сильных электромагнитных помех.

3. Исследования изменений в процессе наработки времен срабатывания высоковольтных элементов, позволившие разработать методы обнаружения отказов ячеек емкостного накопителя энергии с помощью сравнения экспериментальных результатов измерений с их номинальными значениями.

4. Результаты диагностирования работоспособности разрядников и источников накачки в течение эксплуатации лазерной установки, позволившие обеспечить надежную работу мощного емкостного накопителя энергии, собранного на отечественной элементной базе.

5. Исследования влияния отказов источников накачки на задержку формирования и энергию лазерного импульса, позволившие выработать меры для их устранения и улучшить выходные параметры многоканальной лазерной установки.

Объем и структура.

Диссертация состоит из введения, трех глав и

заключения, изложенных на 190 страницах. Диссертация содержит 118 рисунков, 8 таблиц и 8 страниц списка литературы, включающего 137 наименований работ.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность и определена цель диссертационной работы, сформулированы научная новизна, практическая ценность полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание работы.

В первой главе обоснована и сформулирована задача необходимости разработки методов диагностики разряда ячеек мощных емкостных накопителей энергии (ЕНЭ). После запуска коммутатора ячейки происходит ее разряд на нелинейную резистивно-индуктивную нагрузку, в результате чего возникают высоковольтные переходные процессы. Задачей диагностики является измерение наиболее информативных физических величин, характеризующих данные процессы. Целью измерений является анализ полученных данных и выдача информации о неисправностях элементов разрядного контура ячейки.

Емкостной накопитель энергии установки ИСКРА-5 представляет собой сложную энергетическую систему, включающую в себя 17938 высоковольтных конденсаторов, 665 разрядников ячеек, 1099 источников света, 70 генераторов высоковольтных импульсов и ряд других узлов. Поэтому актуальность внедрения методики диагностики обусловлена необходимостью

эпределения отказов среди большого числа

высоковольтных элементов, обладающих

ограниченной надежностью.

В главе приведена структурная схема ЕНЭ установки ИСКРА-5 и описаны его основные системы: конденсаторная батарея, система коммутации, линии передачи энергии в нагрузку, система источников света, системы синхронизации, заряда, управления и диагностики. Далее даны понятия, характеризующие надежность работы типового высоковольтного модуля: безотказность, долговечность, сохраняемость, отказ, неисправность и повреждение.

Проведен анализ систем диагностики мощных отечественных и зарубежных ЕНЭ, отличающихся между собой режимом разряда. На большинстве современных мегаджоульных ЕНЭ (NOVA, BEAMLET, NIF /США/, PHEBUS, MEGAJOULE /Франция/, МКБ-2 /Россия/) измеряется форма импульса тока, протекающего через высоковольтный элемент. Выбор данного параметра диагностики обусловлен тем, что в разрядных контурах ячеек этих установок реализован апериодический режим разряда с параметром затухания R/2*(C/L)'/2>1, при котором эффективнее измерять максимальную амплитуду тока разряда. В модулях установки ИСКРА-5 при колебательном режиме разряда более информативным параметром для диагностики ячеек ЕНЭ является полупериод разрядного тока в нагрузке, потому что по сравнению с другими физическим, величинами его значение изменяется в большей степени при возникновении отказов элементов контура.

В ячейке накопителя энергии, содержащей

электроразрядный источник (ЭИ) накачки, исследованы переходные процессы, происходящие при разряде емкости на нагрузку, и экспериментально получены эпюры напряжения на разряднике и источнике накачки. Анализ характеристик тока и напряжения на концевых разделках нагрузочных кабелей показал, что на этапе коммутации в модуле существуют значительные перенапряжения, которые могут привести к электрическому пробою элементов. Расчеты переходных процессов в ячейке и проведенные эксперименты позволили определить, что у разрядника уровень импульсных напряжений достигает величины иР=1.7и0, а у нагрузки -ин=2.4и0, где ЧГо^ОкВ. Если длительность воздействия перенапряжений увеличивается по причине возможного появления задержек срабатывания источника накачки, то возрастает и опасность разрушения элементов контура. Поэтому требуется контролировать значения задержек срабатывания разрядника и нагрузки и выбрать их в качестве основного диагностируемого параметра на стадии коммутации.

В результате проведенных ресурсных испытаний высоковольтных элементов ячеек: конденсаторов, разрядников, линий связи и источников света определены электрофизические характеристики их работы. Для каждого элемента измерены конкретные интервалы времени и допустимые отклонения от нормы, при превышении которых возникают отказы в ячейках накопителя энергии. Эти временные характеристики использованы для диагностики работы

высоковольтных элементов модулей.

Исследования переходных процессов в разрядных контурах ячеек и проведенные ресурсные испытания высоковольтных элементов позволили выбрать минимально необходимый набор интервалов времени, дающий возможность определять большинство отказов различных модулей установки ИСКРА-5. В ячейках с электроразрядными источниками накачки измеряются задержки срабатывания разрядника и нагрузки, а также длительность полупериода разрядного тока в обеих ветвях ЭИ. В ячейках с ксеноновыми лампами для повышения надежности регистрации дополнительно измеряются времена окончания первых полупериодов токов в каждой лампе усилителя относительно момента пуска эксперимента. В задающем генераторе дополнительно к измерению времен срабатывания высоковольтных устройств определяется точность совпадения моментов формирования первых нулей токов во всех усилителях задающего генератора с моментом прохождения моноимпульса лазерного излучения через эти усилители. Предложен контроль работоспособности генераторов общей системы синхронизации установки ИСКРА-5 с помощью измерения задержек срабатывания искровых разрядников относительно момента подачи запускающего сигнала.

Приведено описание методов обнаружения отказов высоковольтных элементов, основанных на анализе совокупности интервалов времени, характеризующих работу модулей ЕНЭ. Несрабатывание разрядника ячейки определяется по нулевому значению длительности полупериода

разрядного тока в контуре. При задержке срабатывания разрядника увеличивается длительность соответствующего интервала времени, и на такую же величину смещается момент формирования первого нуля тока в нагрузке относительно момента прихода запускающего импульса разрядника. ' При возникновении преждевременного срабатывания разрядника отсутствуют пусковые импульсы с системы синхронизации установки. Критерием пробоя жгута нагрузки является сокращение длительности полупериода разрядного тока в источнике накачки за счет шунтирования нагрузки в месте разрушения энергопровода. Разряд в одну ветвь ЭИ диагностируется по увеличению длительности полупериода разрядного тока в данной ветви. Задержки срабатывания импульсных ксеноновых ламп определяются по увеличению соответствующих интервалов времени и смещению моментов окончания первых полупериодов токов в усилителе.

В заключении первой главы определен объем измерений, необходимый для диагностирования разряда 665 ячеек установки ИСКРА-5. В течение первых 150-200мкс после пуска эксперимента требуется одновременно измерить 2301 интервал времени в диапазоне длительностей 50нсек - 5мкс и 2061 интервал времени в диапазоне 50нс-50мкс с относительной погрешностью регистрации не более 2% и динамическим диапазоном не менее 100.

Во второй главе диссертации описываются разработка и внедрение в эксплуатацию многоканального аппаратного комплекса,

позволяющего измерять времена срабатывания

высоковольтных элементов.

Для обеспечения надежной работы средств диагностики высоковольтных установок необходимо решить две важные задачи: обезопасить аппаратуру измерений от пробоев высоковольтных цепей ячеек на датчики сигналов и добиться отсутствия сбоев измерительных каналов от высоковольтных помех. Обзор существующих аппаратных средств диагностики разряда мощных ЕНЭ таких установок, как NOVA, DECADE, ATLAS (США), PHEBUS (Франция), FEUERSTELLUNG 2000 (ФРГ), показывает, что их системы измерения содержат стандартный набор средств диагностики: датчик тока, система сглаживающих фильтров, аналого-цифровой преобразователь и система оптронных развязок. Однако в данном комплексе при пробое датчика существует вероятность выхода из строя части измерительных систем.

На установке ИСКРА-5 при регистрации интервалов времени старт-стопным способом требования к неискаженной передаче аналоговой информации невелики, поэтому появляется возможность упростить структуру диагностического комплекса и ввести световолоконные импульсные модули связи между датчиком сигналов и измерителем, позволяющие обезопасить работу систем диагностики. Проведенные исследования помехоустойчивости аппаратных средств показали, что их нормальная работоспособность в условиях сильных электромагнитных помех может быть обеспечена использованием комплекса мер: специальной системой заземления измерительной аппаратуры, введением световодных оптронных

развязок в сигнальных трактах, повышением отношения сигнал/шум в системах измерения, введением порогов срабатываний измерительных каналов, использованием в схемах защитных электромагнитных экранов.

На высоковольтных стендах экспериментально исследована работоспособность макетов измерителей временных интервалов. С помощью сравнения различных методов измерения интервалов времени показано преимущество метода на основе время-амплитудного преобразования сигналов, обладающего лучшими метрологическими характеристиками.

Проведен анализ известных датчиков старт-стопных сигналов. Наиболее полно соответствуют требованиям помехоустойчивости измерений индуктивные датчики, выполненные на основе пиковых трансформаторов на насыщающихся ферритах и позволяющие иметь амплитуду напряжения выходных сигналов 200-300В с длительностью на полувысоте около О.Змкс при переходе через нуль тока в диагностируемом элементе.

Сигналы с датчиков импульсов поступают на систему время-амплитудных преобразователей (СВАП-256). Приведено описание измерительных узлов системы. Выбрана принципиальная схема блока входных согласователей с использованием оптоволоконных развязок, обеспечивающих лучшую электромагнитную совместимость аппаратуры диагностики с накопителем энергии. Получены зависимости задержек выходного сигнала согласователя от параметров входных сигналов, а также порога срабатывания схемы от расстояния

между свето- и фотодиодами. Приведен расчет погрешности измерений интервалов времени (5^1%) с помощью системы СВАП-256.

Аналоговые сигналы со схемы время -амплитудного преобразователя долговременно запоминаются в системе автоматической регистрации аналоговой информации (САРАИ-512). Для обеспечения дрейфа напряжения в запоминающих ячейках не более 1-2мВ/мин использованы магнито-управляемые контакты и емкости с малыми токами утечки, помещенные в герметичные блоки с осушителем воздуха. Аналоговая информация из системы оцифровывается после проведения эксперимента при отсутствии электромагнитных помех от срабатывания накопителя, что также повышает достоверность полученных данных.

Система группового ввода информации (СГВ) управляет постами диагностики при проведении эксперимента, осуществляет аналого-цифровое преобразование информации и ее передачу на центральную мини-ЭВМ СМ-1420.

На основе системы управления базой данных (СУБД) АОАВАБ-М создана база данных комплекса импульсной диагностики (КИД) и прикладное программное обеспечение, позволяющие эффективно хранить и обрабатывать информацию о временах срабатывания высоковольтных элементов накопителя энергии в течение длительного срока их эксплуатации.

В третьей главе диссертации приведены результаты импульсной диагностики системы импульсного питания мощного йодного лазера ИСКРА-5: конденсаторной батареи, системы

ССК 124.02.02

Российская государственная библиотека

101000, Москва, ул.Воздвиженка, 3

О направлении автореферата Гудова С.Н.

Направляю Вам автореферат диссертации Гудова С.Н. на тему; «Исследование, разработка и внедрение методов диагностики разряда мощного емкостного накопителя энергии установки «Искра-5»».

Диссертация представлена к защите на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований - в диссертационный совет ССК 124.02.02 в РФЯЦ-ВНИИЭФ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических

наук Б.Л.Воронин

коммутации, кабельного энергопровода, источников света, системы синхронизации и задающего генератора. Определены временные характеристики срабатывания высоковольтных устройств ячеек, на основании которых разработаны методы определения отказов высоковольтных элементов и показан положительный эффект от внедрения КИД для основных систем ЕНЭ.

Работоспособность разрядников ячеек оценивается по величине задержки их срабатывания (^»О.Змкс при среднем квадратичном отклонении ст3^80нс) и вероятности появления различных типов отказов. На основании измерений КИД отбракованы ненадежные разрядники ячеек, имеющие показатели работы хуже допустимого предела. Профилактическая замена их на новые экземпляры позволила примерно втрое сократить вероятность появления задержек срабатывания разрядников ячеек в экспериментах, что в свою очередь уменьшило потери электрической энергии, неиспользуемой для накачки усилителей из-за отказов коммутаторов.

Разработанные методы определения пробоя высоковольтного кабеля нагрузки дали возможность своевременно обнаруживать место разрушения энергопроводов ячеек и уменьшить объем ремонтных работ в накопителе энергии.

С помощью статистического анализа вычислены временные характеристики срабатывания электроразрядных источников накачки: задержка срабатывания 13«0.7мкс при а3^0.1мкс и полупериод разрядного тока Т/2«32.5мкс при а3«О.Змкс. Обобщенный анализ работы всех ЭИ за десятилетний срок эксплуатации показал, что их технические

характеристики не ухудшились и соответствуют требованиям по однородности облучения рабочего объема лазерных усилителей.

Задержка срабатывания ламп после пуска разрядника в среднем составляет величину 13«О.Змкс с о-3и0.1мкс, а длительность полупериода разрядного тока равна Т/2«10.0мкс с ст3~0.2мкс. Показана разная степень надежности работы ламповых усилителей установки, и определены те усилители, на которых в первую очередь требуется провести ремонтно-профилактические работы.

Исследования изменений времен срабатывания разрядников и источников накачки в зависимости от числа включений позволили разработать способы прогнозирования их работоспособности. При аналитическом прогнозировании возможный отказ высоковольтного элемента предупреждается с помощью анализа поведения аппроксимирующей функции, при вероятностном - значений математического ожидания или среднего квадратичного отклонения, при частотном - частоты появления отказов высоковольтного элемента. Внедрение методов прогнозного диагностирования позволило выбрать оптимальные и наиболее важные направления по модернизации и улучшению работы системы импульсного питания лазера.

Исследована степень влияния отказов системы импульсного питания на параметры лазерного импульса (ЛИ) установки ИСКРА-5. Проведенный анализ показал, что главной причиной возникновения несинхронности (до 400пс) прихода на мишень лазерных импульсов от различных каналов установки является неустойчивая работа в

каналах первых каскадов усиления лазерного излучения, выражающаяся в появлении задержек срабатывания накачки этих каскадов на время более 1мкс. При этом происходит увеличение длительности выходного ЛИ и уменьшение его энергии. Поскольку измерения КИД позволяют обнаружить и впоследствии устранить такие задержки накачки, это приводит к улучшению параметров лазерного излучения установки и повышению симметричности облучения термоядерной микромишени. ^ По увеличению длительности и частоты появления задержек срабатывания обнаружены и затем отремонтированы ненадежные генераторы поджигающих импульсов разрядников и источников накачки, что дало возможность обеспечить надежную работу системы синхронизации установки ИСКРА-5 в течение десятилетнего срока ее эксплуатации.

Обобщены результаты диагностики работы системы импульсного питания лазера в полномасштабных экспериментах. Надежность работы конденсаторов, разрядников и источников света оказалась примерно на уровне, ожидаемом по техническому проекту. Зарегистрировано ухудшение работы ламповых каскадов усиления. В целом, разработанная и введенная в строй система импульсного питания обеспечивает стабильное проведение физических экспериментов на установке.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые заключаются в следующем:

1. Обоснована и сформулирована задача по разработке и внедрению методов регистрации параметров разряда мощных емкостных накопителей

энергии для лазерных установок. Актуальность этой задачи обусловлена ограниченной надежностью высоковольтных элементов отечественной

элементной базы (вероятность отказа одного элемента рот«10"3-10~4), их большим числом (Ыэл~103-104) и большой энергоемкостью ячеек (Еяч=50-150кДж). Проведен анализ систем диагностики мощных отечественных и зарубежных емкостных накопителей энергии, отличающихся между собой режимом разряда. Показано, что наиболее информативным параметром для диагностики переходных процессов в электрических цепях с колебательным режимом является измерение длительности полупериода тока в контуре. Исследования переходных процессов на начальной стадии (1-2мкс) коммутации в ячейках показали, что на концевых разделках нагрузочных кабелей ячеек существуют значительные перенапряжения (до 120кВ), которые могут привести к пробою элементов. Опасность разрушения возрастает, если длительность их воздействия увеличивается, например, из-за возможного появления задержек срабатывания источника накачки. Поэтому необходимо контролировать значения времени задержки срабатывания разрядника и нагрузки и выбрать их в качестве основного диагностируемого параметра на стадии коммутации.

2. Разработаны и внедрены в эксплуатацию методы время-импульсной диагностики различных типов ячеек установки ИСКРА-5: - в ячейках с электроразрядным источником накачки измеряются время срабатывания разрядника, задержки срабатывания и длительности

полупериодов разрядного тока в обеих ветвях источника накачки;

- в ячейках с ксеноновыми лампами для повышения надежности регистрации дополнительно измеряются времена окончания первых полупериодов разрядных токов в каждой лампе усилителя относительно момента пуска эксперимента;

- в генераторах поджигающих импульсов, подаваемых на разрядники и электроразрядные источники накачки, регистрируется задержка формирования высоковольтного выходного импульса напряжения относительно момента подачи запускающего сигнала;

- в задающем генераторе дополнительно к измерению времен срабатывания высоковольтных устройств определяется точность совпадения моментов окончания первых полупериодов разрядных токов во всех усилителях задающего генератора с моментом прохождения через эти усилители моноимпульса лазерного излучения.

3. Разработаны методы обнаружения отказов высоковольтных элементов, основанные на анализе совокупности временных интервалов,

характеризующих работу ячеек. Измеренные интервалы времени после эксперимента сравниваются с ожидаемыми величинами и в случае их отклонения от нормы по разработанным алгоритмам выдаются диагностические данные об отказах высоковольтных устройств. Методика импульсной диагностики дает возможность определять пробои высоковольтных конденсаторов, преждевременные срабатывания, несрабатывания,

задержки срабатывания разрядников, пробои жгутов высоковольтных кабелей, задержки срабатывания и преимущественный разряд в одну ветвь электроразрядных источников накачки, задержки срабатывания и разрушения импульсных ксеноновых ламп. Своевременная замена обнаруженных с помощью КИД отказавших элементов позволяет повысить надежность работы системы импульсного питания лазера.

4. Проведены разработка, монтаж и запуск в эксплуатацию комплекса аппаратных средств диагностирования разряда системы импульсного питания мощного йодного лазера ИСКРА-5. Комплекс импульсной диагностики позволяет измерять одновременно около 5000 интервалов времени в диапазоне 50нс-50мкс с относительной погрешностью регистрации не более 2%. Выбран метод измерения интервалов времени на основе время-амплитудного преобразования, обладающий по сравнению с частотно-цифровым методом измерения лучшими метрологическими характеристиками. Разработаны датчики старт-стопных сигналов, выполненные на основе пикового трансформатора на насыщающихся ферритах. Датчики при переходе через нуль тока в диагностируемом элементе формируют выходные импульсы напряжения с амплитудой 200-300В и длительностью на полувысоте около О.Змкс. Разработаны и внедрены в эксплуатацию многоканальные системы измерения интервалов времени с возможностью долговременного хранения (до суток) аналоговой информации. Высокая степень автоматизации комплекса позволяет оперативно производить

шалого-цифровое преобразование информации и ее звод в средства вычислительной техники.

5. Разработаны технические мероприятия, эбеспечивающие электромагнитную совместимость тпаратуры диагностики с конденсаторной батареей с ;уммарным током разряда около 150МА. Показано, 1То необходимую защиту аппаратуры обеспечивает только комплекс мер, заключающийся в:

» активном помехоподавлении (специальная схема заземления, использование коаксиальных линий связи, их экранировка и т.п.); » локальной помехозащищенности (оптоволоконные развязки датчиков старт-стопных сигналов от систем измерения, гальванические развязки датчиков от высоковольтных элементов, фильтрация важных управляющих сигналов); » повышении отношения сигнал/шум в схемах измерения, при котором амплитуда полезного сигнала в несколько раз превышает импульс помехи, что дает возможность ввести порог срабатывания измерительного устройства.

6. Создана база данных физического эксперимента, позволяющая эффективно хранить и эбрабатывать информацию (поступает в базу данных жоло 5 Мбайт в год) о временах срабатывания высоковольтных элементов накопителя энергии в гечение длительного срока его эксплуатации (19891999гг). Написан пакет прикладного программного збеспечения, позволяющий проводить математическую и статистическую обработку данных, 1 также управлять постами диагностики при проведении физических экспериментов. С помощью информации базы данных исследуется

работоспособность основных систем установки в течение десятилетнего периода ее эксплуатации.

7. Разработаны способы прогнозирования работоспособности высоковольтных элементов, основанные на анализе времен срабатываний высоковольтных устройств в течение длительного пбриода их эксплуатации. При аналитическом прогнозировании критерием необходимой замены элемента является выход за допустимые пределы значения аппроксимирующей функции набора временных интервалов, при вероятностном значения математического ожидания или среднего квадратичного отклонения, при частотном - частоты появления отказов высоковольтного элемента. Внедрение методов прогнозного диагностирования позволило отбраковать и заменить дефектные искровые разрядники ячеек, выявить ненадежные генераторы запускающих импульсов и зарегистрировать деградацию импульсных ксеноновых ламп в усилителях лазерного излучения, а также выбрать оптимальные и наиболее важные направления по модернизации и улучшению работы системы ИП.

8. Исследована степень влияния отказов системЫ импульсного питания на параметры лазерного импульса установки ИСКРА-5. Проведенный анализ показал, что главной причиной возникновения несинхронности (до 400псек) прихода на мишень лазерных импульсов от различных каналов установки является неустойчивая работа в каналах первых каскадов усиления лазерного излучения, выражающаяся в появлении задержек срабатывания накачки этих каскадов более 1мкс. При

этом происходит увеличение длительности выходного ЛИ и уменьшение его энергии. Поскольку измерения КИД позволяют обнаружить и впоследствии устранить такие задержки накачки, это приводит к улучшению параметров лазерного излучения установки и повышению симметричности облучения термоядерной мишени.

9. Измерения комплекса импульсной диагностики позволяют определить, что в полномасштабном эксперименте при разряде выделяется в нагрузку в среднем около 95% запасенной энергии накопителя (57МДж) с синхронностью не хуже 2-Змкс. Энергия потерь, как правило, не превосходит 2-3МДж. Опыт проведения разработки, проектирования, пуско-наладки и эксплуатации системы импульсного питания лазерной установки ИСКРА-5 показал возможность создания крупных физических установок на базе емкостных накопителей энергии с запасаемой энергией 60-70МДж при рабочем напряжении 50кВ, которые функционируют с допустимыми параметрами надежности, используя российскую элементную базу. К основным мерам, способствующим достижению поставленной цели, можно отнести защиту батареи в аварийных ситуациях (локализация отказов), входной контроль элементов, диагностику батареи на стадии заряда и разряда, а также своевременную доработку и замену ненадежных элементов модулей. Комплекс мер и технических решений, выработанных в результате испытаний накопителя энергии, позволил за период эксплуатации установки довести вероятность его безотказной работы до 0.97.

Таким образом, в результате проведенных исследований обеспечена надежная работа системы импульсного питания мощного йодного лазера мирового уровня ИСКРА-5, созданного на отечественной элементной базе, в результате чего решена крупная научно-техническая проблема в области лазерного термоядерного синтеза. Проведение полномасштабных физических экспериментов позволило впервые в России получить уникальные физические результаты по облучению и сжатию термоядерных микромишеней.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Гудов С.Н., Кириллов Г.А., Муругов В.М., Панкратов В.И., Пегоев И.Н. Комплекс импульсной диагностики емкостного накопителя энергии. Тезисы докладов 5-й Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. М., ЦНИИатоминформ, 1990, с.208.

2. Галахов И.В., Гашеев A.C., Гудов С.Н., Мармышев

B.Ф., Муругов В.М., Панкратов В.И., Пегоев И.Н. Комплекс импульсной диагностики установки ИСКРА-4. Отчет 13/Т-338, 1983.

3. Антилов С.И., Галахов И.В., Гашеев A.C., Гудов

C.Н., Ильин Д.Ю., Муругов В.М., Кириллов Г.А., Панкратов В.И., Пегоев И.Н. Комплекс импульсной диагностики разряда емкостного накопителя энергии. ПТЭ, N5, 1990, с. 132.

4. Анненков В.И., Антипов С.И., Багрецов В.А., Басова Л.А., Безуглов В.Г., Виноградский Л.М., Волчков Ю.А., Галахов И.В., Гашеев A.C., Грузин И.А., Гудов С.Н., Золотовский В.И., Ильин А.Ю.,

Ильин Д.Ю., Иноземцев А.П., Кирдяшкин М.Ю., Кириллов Г.А., Кузьмичев Ю.П., Линник М.Г., Логутенко С.Л., Маслов А.Ф., Мурутов В.М., Недугов С.К., Осин В.А., Панкратов В.И., Петраков В.Н., Паутов О.В., Пегоев И.Н., Пунин

B.Т., Шемякин В.И., Худиков Н.М. Опыт разработки, пуско-наладочных работ и эксплуатации комплекса энергетических устройств йодного лазера установки У-5. Отчет 13/Т-850, 1991.

5. Гудов С.Н., Кирдяшкин М.Ю., Пегоев И.Н. Физическая и программная реализация базы данных комплекса импульсной диагностики установки У-5. Отчет 13/Т-635Д988. ). Галахов И.В., Гудов С.Н., Пегоев И.Н. Концептуальное представление базы данных комплекса импульсной диагностики установки У-5. Отчет 13/Т-612,1988. L Безуглов В.Г., Галахов И.В., Гашеев A.C., Гудов

C.Н., Золотовский В.И.. Ильин А.Ю., Кириллов Г.А., Кузьмичев Ю.П., Кучеров А.И., Логутенко С.Л., Муругов В.М., Пегоев И.Н., Петраков В.Н., Осин В.А. Комплекс емкостных накопителей энергии установки "Искра-5". ПТЭ, N3, 1991, с.100.

ä. Галахов И.В., Гудов С.Н., Пегоев И.Н. Представление результатов измерения комплекса импульсной диагностики установки У-5. Отчет 13/Т-634,1989.

Галахов И.В., Гудов С.Н., Пегоев И.Н. Комплекс импульсной диагностики накопителя 11-го канала установки У-5. Отчет 13/7-447,1985. О.Антипов С.И., Гудов С.Н., Пегоев И.Н. Пост

импульсной диагностики задающего генератора и системы синхронизации установки У-5. Отчет 13/Т-446, 1985.

П.Галахов И.В., Грузин И.А., Грузина Л.П., Гудов С.Н., Муругов В.М., Осин В.А. Исследование работоспособности емкостного накопителя • энергии установки ИСКРА-5 по результатам измерений комплекса импульсной диагностики. Отчет 13/Т-1023, 1994.

12.Гудов С.Н., Пегоев И.Н. Устройство для измерения временных интервалов, а/с N 1678151, 1989.

13.Гудов С.Н. Комплекс импульсной диагностики параметров разряда емкостного накопителя энергии лазерной установки. Отчет 13/Т-658, 1989.

14.V.G.Bezuglov, I.V.Galakhov, A.S.Gacheev, I.A.Gruzin, S.N.Gudov, А.УиЛГуп, G.A. Kirillov, Yu.P.Kuzmichev, A.I.Kucherov, S.L.Logutenko, V.M.Murugov, V.A.Osin, I.N.Pegoev, V.N.Petrakov, V.I.Zolotovski." The 67MJ, 50KV capacitor bank for the high-power iodine laser of the lskra-5 facility: description and experience". Tenth IEEE international pulse power conf., USA, 1995.

15.I.V.Galakhov, A.S.Gacheev, I.A.Gruzin, S.N.Gudov, V.M.Murugov, V.A.Osin, V.I.Pankratov, I.N.Pegoev. Diagnostics of the 67MJ, 50KV pulsed power capacitor bank. 11th international conf. of High power particle beams. Prague, Czech Republic, 1996.

16.Антипов С.И., Гудов С.H., Ильин Д.Ю. Система группового ввода информации из постов импульсной диагностики в ЭВМ. Отчет 13/Т-516, 1987.

17.Гудов С.Н., Пегоев И.Н. Перспективы создания

цифровой системы импульсной диагностики емкостного накопителя. Отчет 13/Т-491, 1986.

18.Гудов С.Н., Пегоев И.Н., Антипов С.И. Техническое описание и инструкция по эксплуатации комплекса импульсной диагностики накопителей установки У-5. Отчет 13/Т-608, 1988.

19-Антипов С.И., Багрецов В.А., Безуглов В.Г., Виноградский Л.М., Галахов И.В., Гашеев A.C., Грузин И.А., Гудов С.Н., Золотовский В.И., Ильин

A.Ю., Ильин Д.Ю., Кирдяшкин М.Ю., Кузьмина

B.Б., Кузьмичев Ю.П., Логутенко С.Л., Махов Ю.Е., Муругов В.М., Недугов С.К., Осин В.А., Пегоев И.Н., Порошин Д.В., Пунин В.Т., Шемякин В.И., Худиков Н.М.. Оценка работоспособности разрядников накопителей установки У-5 по результатам пуско-наладочных работ. Отчет 13/Т-637, 1989.

Ю.Анненков В.И., Багрецов В.А., Безуглов В.Г., Виноградский Л.М., Гайдаш В.А., Галахов И.В., Гудов С.Н., Гузов И.П., Иноземцев А.П., Каргин В.А., Кириллов Г.А., Коваленко В.П., Кузьмин Г.Г., Кузьмичев Ю.П., Лапин С.Г., Лобанов Л.В., Логутенко С.Л., Махов Ю.Е., Мочалов М.Р., Муругов В.М., Осин В.А., Пегоев И.Н., Пунин В.Т., Худиков Н.М. Разработка и исследование усилителя УЗЛ установки У-5. Отчет 13/Т-606, 1988.

!1.Безуглов В.Г., Галахов И.В., Гашеев A.C., Грузин И.А., Гудов С.Н., Золотовский В.И., Кузьмичев Ю.П., Логутенко С.Л., Махов Ю.Е., Муругов В.М., Недугов С.К., Осин В.А., Пегоев И.Н., Порошин Д. В.. Исследование системы синхронизации установки У-5 в процессе

пуско-наладочных работ. Отчет 13/Т-668, 1990.

22.Басова J1.A., Безуглов В.Г., Галахов И.В., Гашеев A.C., Грузин И.А., Гудов С.Н., Золотовский В.И., Ильин А.Ю., Кузьмичев Ю.П., Логутенко С.Л., Муругов В.М., Недугов С.К., Обакова В.В., Осин

, В.А., Пегоев И.Н., Петраков В.Н., Худиков Н.М.. Разработка пускового генератора ПГК с улучшенными характеристиками для общих устройств системы синхронизации установки У-5. Отчет 13/Т-831, 1991.

23.Гайдаш В.А., Гудов С.Н., Жидков Н.В., Кирдяшкин М.Ю., Кравченко А.Г., Муругов В.М., Ниточкин H.A., Окутин Г.П., Панкратов В.И. Сеник A.B.. Анализ результатов регистрации таутохронизма лазерных импульсов на установке ИСКРА-5. Отчет 13/Т-1265, 1998.

24.Galakhov I.V., Gasheev A.S., Gruzin I.A., Gudov S.N. et al. "Protection of control and monitoring equipment from electromagnetic noise in the 67MJ, 50KV capacitor bank"//Proc. of IEEE Inter. Conf. "Beams-96". Prague, Czesh. Rep., 1996.