Генерирование мультимегаамперных импульсов тока для ускорения и сжатия твердых тел

• Автор: Фридман, Борис Эммануилович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 184 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Концепция построения мультимегаджоульных и
мультимегаамперных емкостных накопителей энергии и ее реализация в установке Е7-25.
1.1. Источники мегаамперных импульсных токов
1.2. Режимы зарядки и зарядные устройства больших емкостных
накопителей энергии.
1.3. Модульная структура большой конденсаторной батареи
Нейтрализация заряда конденсаторной батареи и аварийные ситуации
на стадии заряда.
1.4. Конденсаторная ячейка емкостного накопителя энергии
1.5. Выходные цепи мультимегаамперного емкостного накопителя энергии. 42 Предельные импульсные токи для проводников.
1.6. Система управления большого емкостного накопителя энергии
1.7. Выводы
2. Теория программируемого разряда большого емкостного
накопителя энергии.
2.1. Постановка задачи
2.2. Разряд конденсаторной батареи при неодновременном включении
коммутаторов.
2.3. Метод усреднения для анализа режима программируемого разряда
Аппроксимация в конечных разностях "медленного" переходного
процесса.
2.4. Приближенное описание "медленного" переходного процесса с
использованием непрерывной аппроксимации емкости.
2.5. Программируемый разряд при различных нагрузках накопителя
энергии.
2.6. Синтез оптимальных режимов программируемого разряда
2.7. Выводы
3. Система измерений емкостного накопителя энергии Е7
3.1. Постановка задачи
3.2. Алгоритмы восстановления сигналов
3.3. Библиотека процедур математической обработки сигналов
3.4. Применение системы
3.5. Расчет индуктивности и сопротивления нагрузки по осциллограммам
тока и напряжения.
3.7. Расчет индуктивности и сопротивления нагрузки по осциллограммам
тока и напряжения при программируемом разряде емкостного
накопителя энергии.
3.6. Выводы. Ю'З
4. Некоторые применения мегаамперных импульсных токов для
ускорения твердых тел.
4.1. Работа накопителя Е7-25 с электроразрядным ускорителем макротел

4.2. Работа емкостного накопителя энергии Е7-25 с двухступенчатым
(электроразрядным и рельсотронным) ускорителем тел.
4.3. Импульсный плазмотрон как нагрузка емкостного накопителя энергии
4.4. Особенности генерации мегаамперных токов для больших
рельсотронов.
4.4. Выводы
5. Применение мультимегаамперных импульсов тока для получения
сверхвысокого давления и изучения фазовых превращений веществ.
5.1. Постановка задачи
5.2. Схема импульсного сжатия
5.3. Нелинейная диффузия импульсного магнитного поля в цилиндрические
проводники.
5.4. Предельные параметры электродинамического сжатия
5.5. Стенд для электродинамического сжатия
5.6. Исследование импульсного нагрева стали и графита на
электродинамическом стенде.
5.7. Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Аппаратные средства и программное обеспечение
системы осциллографических измерений.
Приложение 2. Теплофизические свойства металлов при атмосферном 18
давлении.

Введение
Актуальность проблемы. В последние годы возникла значительная потребность в источниках импульсов, способных создавать в нагрузке электрический ток в единицы и десятки мегаампер при энергии импульса - единицы и десятки мегаджоулей. Такие источники требуются для различных физических исследований, в том числе для опытов с высокотемпературной и низкотемпературной плазмой, для получения сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей, для изучения свойств веществ в экстремальных состояниях при высоких давлениях и температурах и при других исследованиях. Велика потребность в таких установках для исследований в области электрических методов ускорения твердых тел, где благодаря прогрессу в этих исследованиях стала реальной задача достижения кинетической энергии метаемого тела величиной в несколько мегаджоулей.
До недавнего времени генерация Мультимегаамперных импульсов тока с энергией в десятки мегаджоулей была возможна только при использовании взрывомагнитных генераторов. Таким генераторам свойственен принципиальный недостаток, заключающийся в том, что после каждого импульса уничтожается большая часть энергетического оборудования и объект исследования. Для большинства приложений требуются стационарные источники импульсного тока, которые можно использовать многократно и которые не уничтожают экспериментальные установки, являющиеся нагрузкой генератора. В настоящее время такими стационарными источниками могут бьггь большие емкостные накопители энергии, создание которых стало возможным из-за увеличения плотности запасаемой энергии и уменьшения стоимости импульсных конденсаторов благодаря достижениям в области технологии конденсаторного производства. Поэтому в настоящей работе рассматриваются генераторы импульсных токов на основе больших емкостных накопителей энергии с запасаемой энергией в единицы и десятки мегаджоулей.
Сравнительный анализ характеристик больших емкостных накопителей энергии показывает, что в основном имеется две группы мегаджоульных накопителей, отличающихся длительностью импульса и величиной разрядного тока. Первую группу составляют «быстрые» конденсаторные установки, для которых характерно высокое рабочее напряжение (50 - 240 кВ), большая величина тока / разряда (3 - 25 МА) и малая длительность импульса (2-13 мкс). Эти установки предназначены для изучения высокотемпературной плазмы, для опытов с источниками мощного импульсного излучения, для получения сверхсильных магнитных полей.
Ко второй группе можно отнести «медленные» установки, которые генерируют импульсы сравнительно низкого напряжения (5 - 25 кВ), относительно малой величины тока /<ЗМА и большой продолжительности (1-6 мс). Такие установки строились в основном для исследований в области физики плазмы, для создания сильных, медленно меняющихся магнитных полей, для питания рельсотронных ускорителей тел.
Имеется область параметров импульсов, которая не охватывается накопителями первой и второй групп. Это импульсы тока в несколько мегаампер (3 — 10 МА), длительностью в десятки микросекунд (40 - 200 мкс). Такие импульсы необходимы для изучения электрического разряда в плотных средах, питания электроразрядных и крупных рельсотронных ускорителей твердых тел, для получения сверхвысоких импульсных давлений и для других областей физики. Для этих импульсов характерно то,
что величина интеграла действия тока J = I2 - & превосходит величину интеграла для

конденсаторных установок первой и второй групп. Это в сочетании с проблемами
-ЗІ“'
- В требуемых режимах суммарное количество электричества, протекающего через разрядник, не должно превышать 25 Кл.
- Время между включениями не должно быть меньше одной минуты.
По результатам этих испытаний разработчик разрядника заменил конструкцию узла поджига и подтвердил возможность использовать разрядник РБУ-63-20 в требуемых для накопителя Е7-25 режимах.
Характеристики разрядников РБУ-63-20УХЛ4 по техническим условиям и по условиям эксплуатации в накопителе Е7-25.

N п/п Характеристика Единица измерения По ТУ В накопителе Е
1 Наибольшее рабочее напряжение кВ
2 Наименьшее рабочее напряжение кВ
3 Номинальная амплитуда пропускаемого тока кА 63±10%
4 Наибольшая длительность коммутируемого тока мкс 2000
5 Амплитуда напряжения управляющего импульса кВ не менее
6 Энергия конденсатора цепи управления Дж не менее
7 Длительность управляющего импульса на полувысоте мкс не менее
8 Наибольшее время запаздывания включения относительно фронта управляющего импульса мкс 2
9 Наибольшая скорость нарастания тока коммутируемого импульса А/с 10* 7,5-Ю9
10 Наибольшая частота срабатывания при коммутации тока номинальной амплитуды Гц 0,01 Одиночные импульсы
Одновременно с этим мы также проводили ресурсные испытания разрядника РБУ-63-20УХЛ4, а также исследовали влияние режимов работы на время задержки включения разрядника. При ресурсных испытаниях было проверено 4 образца, которые выдержали по 5000 импульсов каждый.
В накопителе энергии Е7-25 одновременно или по заданной программе должны включаться разрядники в десятках ячеек. Поэтому важной характеристикой коммутатора является время задержки включения и разброс этого времени. Следовало ожидать, что величина задержки зависит от амплитуды тока поджига и от анодного напряжения (напряжения между главными электродами разрядника). Выполненные нами эксперименты, результаты которых представлены на рис. 1.17 и рис. 1.18, показали, что время задержки незначительно меняется при изменении анодного напряжения, но зависит от тока поджига. Минимальная задержка порядка 1 мкс была получена при максимальном токе поджига 450 А. Кроме того, было обнаружено, что имеет место значительный разброс времени задержки у разных экземпляров разрядников. По итогам испытаний была выбрана амплитуда тока поджига 300 А. Было также установлено, что эксплуатировать накопитель Е7-25 придется в условиях неодновременного включения разрядников, при разбросе времени включения порядка 1 мкс.