Содержание
Общая характеристика работы.............................................. 4
Основное содержание работы.............................................. 7
1. Низкоиндуктивные искровые разрядники................................. 8
1.1. Разрядники с рабочим напряжением 90 кВ........................... 9
1.2. Разрядники с рабочим напряжением ± 100 кВ....................... 13
1.3. Разрядники с рабочим напряжением свыше 1МВ...................... 16
1.4. Выводы.......................................................... 20
2. Первичный накопитель по схеме Аркадьева - Маркса.................... 21
2.1. Генератор Маркса SYRINX/GSI..................................... 23
2.1.1. Конструкция секции генератора и расчет переходного процесса.. 23
2.1.2. Результаты испытания генератора.......................... 26
2.2. Выводы.......................................................... 29
3. Первичный накопитель но схеме линейного трансформатора тока 30
3.1. Ступень LTD-1000................................................ 31
3.2. Ступень LTD-450................................................. 34
3.3. Ступень LTD-100................................................. 37
3.4. Выводы.......................................................... 41
4. Быстрые генераторы прямого действия................................. 42
4.1. Сильноточный генератор прямого действия для исследования быстропротекающих процессов..................................... 43
4.1.1. Конструкция модуля генератора с выходным напряжением 1 MB. 44
4.1.2. Моделирование работы модуля генератора на нагрузку......... 46
4.2. Генератор прямого действия для нагрузок типа Z-пинч............. 48
4.2.1. Электрическая схема и состав генератора.................... 49
4.2.1.1. Оценка на основе RLC контура........................ 49
4.2.1.2. Конструкция генератора и схема для численного моделирования....................................................... 50
4.2.2. Результаты численного моделирования........................ 53
4.3. Выводы.......................................................... 56
Заключение............................................................. 57
Список опубликованных работ по теме диссертации........................ 58
3
Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации
Активные исследования в области импульсных генераторов, которые начались в начале 60-х годов практически одновременно в России и в США, заложили прочный фундамент для развития таких сопредельных дисциплин, как генерация мощного оптического, рентгеновского и СВЧ излучения, формирование мощных электронных и ионных пучков* физика газового разряда, физика плазмы, физика твердого тела и т.д. Повышение мощности импульсных генераторов всегда сопровождалось новыми достижениями в перечисленных областях, а их возрастающие потребности всегда стимулировали исследования по импульсной технике.
В последние - 10 лет мировое сообщество исследователей, занимающихся импульсной техникой, усиленно ищет пути создания сверхмощного генератора, способного ввести в кинетическую энергию плазменной оболочки - 10 МДж за время ~ 100 не. Из-за значительной стоимости проекта (свыше ~ 250 млн. долларов), идет тщательная предварительная проработка и сравнение всевозможных подходов, от традиционных технологий на водяных накопителях до не подтвержденных пока на практике схем, вроде электродинамического сжатия магнитного потока. В этой связи актуальны поиски альтернативных систем, которые могли бы решить поставленную задачу и дать перспективу для дальнейшего развития импульсной техники.
В состав наиболее мощных импульсных генераторов входят первичный накопитель энергии и система повышения мощности. Система по вы плени я мощности в виде промежуточных емкостных или индуктивных накопителей с соответствующими коммутаторами необходима только потому, что мощность первичного накопителя не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к импульсу на нагрузке. Повышение выходной мощности установок с промежуточными емкостными накопителями неизбежно сопровождается ростом их габаритов и стоимости, что ограничивает их применимость для создания сверхмощных генераторов. Этим объясняется повышенный интерес, проявленный в последние - 10 лет к более дешевым и компактным индуктивным накопителям с плазменными прерывателями тока (ППТ). Однако, несмотря на большой объем проведенных исследований, использование индуктивных накопителей энергии с ППТ до сих пор ограничено уровнем выходной мощности в несколько ТВт. Таким образом, ни емкостные, ни индуктивные промежуточные накопители не дают однозначной технологии для построения импульсных генераторов нового поколения.
Отметим, что в настоящее время как емкостные, так и индуктивные промежуточные накопители заряжаются от первичных накопителей за время ~ 1 мке и более. Повышение мощности первичных накопителей позволило бы сократить это время и поднять характеристики промежуточных накопителей обоих типов. Более того, сокращение времени вывода энергии из первичных накопителей до - 100 не
4
и менее позволило бы совсем отказаться от промежуточных накопителей и включать первичный накопитель непосредственно на нагрузку (генераторы прямого действия). В перспективе это обещает существенное снижение габаритов и стоимости импульсной установок. Таким образом, повышение мощности и сокращение времени вывода энергии из первичных накопителей является актуальной задачей в современной импульсной технике.
Мощность первичного накопителя определяется характеристиками импульсных конденсаторов, параметрами разрядников и конструкцией накопителя. Для лучших конденсаторов с энергоемкостью ~ 10* Дж время вывода энергии из конденсатора составляет ~ 300 не. Включение конденсаторов в схему первичного накопителя приводит к возрастанию индуктивности системы и увеличению времени вывода энергии до - 1 мкс. Таким образом, мощность первичного накопителя оказывается в несколько раз ниже мощности, которую может обеспечить импульсный конденсатор. Отсюда следует актуальность совершенствования как разрядников, так и всей конструкции первичного накопителя.
В настоящее время подавляющее большинство первичных накопителей энергии выполнены по схеме Аркадьева - Маркса. При этом обычно конденсаторы располагаются в металлических баках, которые выполняют роль обратног о то-коировода, помехоподавляющего экрана и сосуда, удерживающего изолирующую среду. При этом, из-за наличия емкости конденсаторов на стенки бака, пусковая схема генератора Аркадьева-Маркса так или иначе привязана к его конструкции. Все это приводит к тому, что такие первичные накопители строятся, фактически, только для данной конкретной установки и при ее демонтаже не могут быть использованы по другому назначению. Таким образом, актуальной задачей является разработка первичных накопителей энергии гибкой конфигурации, которая позволяла бы произвольное последовательно-параллельное включение ступеней.
Целями диссертационной работы являлись:
1. Разработка и исследование низкоиндуктивных разрядников для первичных и промежу точных емкостных накопителей энергии.
2. Разработка первичного накопителя по схеме Аркадьева - Маркса с временем вывода энергии менее 1 мкс.
3. Разработка первичных накопителей гибкой конфигурации с временем вывода энергии менее 1 мкс.
4. Исследование возможности построения генераторов прямого действия для приложений, требующих введения энергии в нагрузку за время ~ 100 не.
Научная новизна:
1. Созданы многозазорные, многоканальные газовые разрядники, работающие в атмосфере сухого сжатого воздуха, имеющие индуктивность - 8,5 нГн и спо-
5
собные пропускать ток до ~ 1 МЛ при времени нарастания тока - 1 мкс. По совокупности параметров данные разрядники не имеют аналогов в мире.
2. Созданы многозазорные, многоканальные разрядники для промежуточных емкостных накопителей энергии с уровнем рабочего напряжения до 6 MB, в которых многоканальная коммутация происходит по всей длине разрядника.
3. Разработан проект генератора Маркса с энергозапасом 160 кДж и временем вывода энергии из конденсаторов в энергию магнитного поля 740 не.
4. Разработано несколько вариантов первичного накопителя по схеме линейного трансформатора тока в виде ступеней LTD (от Linear Transformer Driver), в которых конденсаторы, разрядники, первичный виток и обратный токопровод встроены в корпус ступени. Такая конструкция обеспечивает полную автономность ступеней, позволяя включать их последовательно или параллельно в зависимости от требований к установке. Изготовлены и исследованы ступени LTD с временем вывода энергии 950 не, 430 не и ~100 не.
5. Разработана конструкция модуля генератора прямою действия для исследования быстропротекающих процессов с выходным напряжением 1 MB, током 140 кЛ и длительностью импульса на уровне 80 % от максимума менее 70 не.
6. Проведен анализ сверхмощного генератора прямого действия для нагрузки типа Z-пинч, позволяющего перевести в кинетическую энергию оболочки ~ 10 МДж за время - 100 не при КПД свыше 20 %.
Положения, выносимые на защиту:
1. Для равномерного распределения квази постоя иного зарядного напряжения по зазорам многозазорного разрядника может быть использован коронный разряд на отрицательных остриях, расположенных в каждом ряду промежуточных электродов.
2. Разработана конструкция генератора Маркса с обратным токопроводом в виде отрезков коаксиальной линии, проходящей от первой до последней ступени. Такая конструкция позволяет снизить индуктивность разрядного контура и время вывода энергии из генератора.
3. Разработан новый тип ступеней линейного трансформатора тока в виде ступени LTD, в которой конденсаторы, разрядники, первичный виток и обратный токопровод встроены в корпус ступени.
4. Показана возможность построения на базе ступеней LTD генераторов прямого действия для ряда применений, где в настоящее время используются исключительно установки с дополнительными ступенями повышения мощности.
Практическая ценность
Практическая ценность работы заключается в создании образцов газовых
разрядников, предназначенных для использования в различных применениях с
6
широким диапазоном рабочих напряжении и обладающих умеренной стоимостью при изготовлении и эксплуатации, а также компактных ступеней LTD, позволяющих создавать первичные накопители гибкой конфигурации, обеспечивающей возможность последовательно - параллельного переключения в зависимости от требований к установке. Практическая ценность генератора для исследования быстропротскающих процессов заключается в том, что он демонстрирует преимущества генераторов прямого действия там, где до настоящего времени применяются только установки с промежуточными ступенями повышения мощности.
Реализация результатов работы
Разрядники, генератор Маркса SYR1NX/GSI и ступени LTD, разработанные в ходе выполнения данной работы, используются или использовались в:
1. Институте сильноточной электроники СО РАІI
2. Лаборатории физики ионизованных сред (LPMI, Ecole Polytechnique, Франция)
3. Исследовательском I Центре 1 рама ( CEG, Франция)
4. Компании ITHPP (Франция)
5. Лаборатории SANDIЛ (США)
На основе анализа сильноточного генератора для исследования быстропро-текающих процессов подписан контракт с лабораторией SANDIA об изготовлении модуля генератора с выходным напряжением 1 MB.
Апробация работы и публикации
Материалы работы докладывались на научных семинарах Института сильноточной электроники СО РАН (г. Томск), Российско-американском совещании в РФЯЦ-ВНИИЭФ (октябрь 1999 года, г. Саров), Международном рабочем совещании по продвинутым технологиям в импульсной технике в лаборатории SANDIA (январь 1999 года, г. Альбукерк), Совещании гю сверхмощным генераторам для излучающих нагрузок в лаборатории Ktech (февраль 2000 года, г. Альбукерк); ТХ, XI Международной конференции по мощным пучкам частиц, XI - XIII Международных конференциях по мощной импульсной технике, XII Симпозиуме по сильноточной электронике.
Материалы диссертации опубликованы в 34-х печатных работах, список которых приведен в конце доклада.
Основное содержание работы
Диссертация состоит из 4-х частей и заключения. В первой части изложен материал, связанный с разработкой многозазорных, многоканальных газовых разрядников. Описаны принцип действия, конструкция и результаты испытаний разрядников для первичных и промежуточных емкостных накопителей. Вторая и
7
- Київ+380960830922