Мощные первичные накопители с временем вывода энергии менее 1 мкс

• Автор: Ким, Александр Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 60 с. : ил

Содержание

Общая характеристика работы

Основное содержание работы

1. Низкоиндуктивные искровые разрядники

1.1. Разрядники с рабочим напряжением 90 кВ

1.2. Разрядники с рабочим напряжением ±100 кВ

1.3. Разрядники с рабочим напряжением свыше 1 MB

1.4. Выводы

2. Первичный накопитель по схеме Аркадьева - Маркса

2.1. Генератор Маркса SYRINX/GSI

2.1.1. Конструкция секции генератора и расчет переходного процесса..

2.1.2. Результаты испытания генератора
2.2. Выводы
3. Первичный накопитель по схеме линейного трансформатора тока
3.1. Ступень LTD-1
3.2. Ступень LTD-
3.3. Ступень LTD-
3.4. Выводы
4. Быстрые генераторы прямого действия
4.1. Сильноточный генератор прямого действия для исследования быстропротекающих процессов
4.1.1. Конструкция модуля генератора с выходным напряжением 1 MB.
4.1.2. Моделирование работы модуля генератора на нагрузку
4.2. Генератор прямого действия для нагрузок типа Z-пинч
4.2.1. Электрическая схема и состав генератора
4.2.1.1. Оценка на основе RLC контура
4.2.1.2. Конструкция генератора и схема для численного моделирования
4.2.2. Результаты численного моделирования
4.3. Выводы
Заключение
Список опубликованных работ по теме диссертации

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 повышения 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 мкс 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

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 ~ 104 Дж время вывода энергии из конденсатора составляет ~ 300 не. Включение конденсаторов в схему первичного накопителя приводит к возрастанию индуктивности системы и увеличению времени вывода энергии до ~ 1 мкс. Таким образом, мощность первичного накопителя оказывается в несколько раз ниже мощности, которую может обеспечить импульсный конденсатор. Отсюда следует актуальность совершенствования как разрядников, так и всей конструкции первичного накопителя.
В настоящее время подавляющее большинство первичных накопителей энергии выполнены по схеме Аркадьева - Маркса. При этом обычно конденсаторы располагаются в металлических баках, которые выполняют роль обратног о то-копровода, помехоподавляющего экрана и сосуда, удерживающего изолирующую среду. При этом, из-за наличия емкости конденсаторов на стенки бака, пусковая схема генератора Аркадьева-Маркса так или иначе привязана к его конструкции. Все это приводит к тому, что такие первичные накопители строятся, фактически, только для данной конкретной установки и при ее демонтаже не могут быть использованы по другому назначению. Таким образом, актуальной задачей является разработка первичных накопителей энергии гибкой конфигурации, которая позволяла бы произвольное последовательно-параллельное включение ступеней.
Целями диссертационной работы являлись:
1. Разработка и исследование низкоиндуктивных разрядников для первичных и промежуточных емкостных накопителей энергии.
2. Разработка первичного накопителя по схеме Аркадьева - Маркса с временем вывода энергии менее 1 мкс.
3. Разработка первичных накопителей гибкой конфигурации с временем вывода энергии менее 1 мкс.
4. Исследование возможности построения генераторов прямого действия для приложений, требующих введения энергии в нагрузку за время ~ 100 не.
Научная новизна:
1. Созданы многозазорные, многоканальные газовые разрядники, работающие в атмосфере сухого сжатого воздуха, имеющие индуктивность ~ 8,5 нГн и спо-

нии пускового импульса противоположной полярности емкость на землю первого электрода пусковой решетки перезаряжается, первый зазор между электродами пусковой решетки оказывается перенапряжен, и он пробивается. Та же картина повторяется со всеми последующими зазорами пусковой решетки, пока пусковой кабель при пробое последнего зазора не оказывается закороченным на боковую стенку корпуса ступени, т.е. на землю. Изменение потенциалов электродов пусковой решетки за счет емкостных связей приводит к появлению перенапряжения на зазорах разрядников и их пробою.
Привлекательная черта этой схемы запуска состоит в том, что после пробоя последнего зазора пусковой решетки пусковой кабель оказывается заземлен. Это снижает требования к его изоляции.
Сверху пусковой решетки укладывается лист полиэтиленовой изоляции, который изолирует ее электроды от верхней крышки корпуса ступени. Длина ступени выбрана таким образом, чтобы после закрепления верхней крышки все элементы конструкции оказались сжаты настолько, чтобы не перемещаться при транспортировке, переворотах и т.п.
На рис. 3.6 показаны осциллограммы напряжения на первичном витке ступени и тока по короткозамкнутой ВКЛ в выстреле при 90 кВ зарядного напряжения. Ток нарастает до 750 кА за время ~430 не.
Рис. 3.6. Напряжение на первичном витке (и) ступени 1ЛТ)-450 и ток ВКЛ (I) в режиме короткого замыкания,
Параметры электрического контура ступени 1ЛТ)-450 с 20-ю конденсаторами ИК-100-0,17:
- емкость конденсаторов 3,4 мкФ
- индуктивность: конденсаторов, разрядников и
подводов к ВКЛ 11,4 нГн
ВКЛ 11 нГн
- сопротивление конденсаторов и разрядников 33 мОм