Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD) с масляной изоляцией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат технических наук Синебрюхов, Вадим Анатольевич

• Синебрюхов, Вадим Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Синебрюхов, Вадим Анатольевич

Введение.

Глава 1. Индукционные генераторы.

1.1. Линейные индукционные ускорители.

1.2. Линейные импульсные трансформаторы.

1.3. Индукционные сумматоры напряжения (IVA-генераторы).

1.4. LTD-генераторы.

1.5. Выводы.'.,.

Глава 2. Коммутационная характеристика искровых разрядников типа Fast

2.1. Конструкция искровых разрядников типа Fast LTD.

2.2. Коммутационная характеристика разрядника типа Fast LTD.

2.2.1. Описание эксперимента.-.

2.2.2. Анализ полученных результатов.

2.3. Выводы.

Глава 3. Быстрая ступень LTD с мощностью —100 ГВт и током —1 МА, нарастающим в согласованной нагрузке за время -100 не.

3.1. Конфигурация ступени.

3.2. Конструкция ступени.

3.3. Испытания ступени с активной нагрузкой.

3.3.1. Описание эксперимента.

3.3.2. Результаты испытаний.

3.3.2.1. Выходные параметры ступени.

3.3.2.2. Свойства ферромагнитного сердечника.

3.3.3. Моделирование ступени.

3.4. Выводы.

Глава 4. Быстрая ступень LTD с мощностью —20 ГВт и током -200 кА, нарастающим в согласованной нагрузке за время -40 не.

4.1. Конфигурация ступени.

4.2. Конструкция ступени.

4.3. Испытания ступени с резистивной нагрузкой.

4.3.1. Описание эксперимента.

4.3.2. Результаты испытаний.

4.3.2.1. Газовая изоляция.

4.3.2.2. Масляная изоляция.

4.3.3. Моделирование ступени.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD) с масляной изоляцией»

С середины прошлого столетия во многих странах мира ведутся активные исследования в области создания мощных высоковольтных импульсных систем, которые находят применение в таких областях науки, как:

• нагрев плазмы до термоядерной температуры;

• создание высокоинтенсивных источников рентгеновского излучения для изучения радиационных эффектов в различных средах;

• возбуждение электромагнитных колебаний СВЧ диапазона;

• физика высоких плотностей энергии, изучающая поведение вещества в экстремальных условиях;

• возбуждение объемных зарядов;

• накачка электронным пучком мощных газовых лазеров;

• исследования в области физики плазмы и физики твердого тела.

С развитием этих задач, на рубеже XXI века возникла острая необходимость в создании импульсных установок, способных передать в нагрузку энергию при мощности в десятки и сотни тераватт за время -100 не.

Современные установки подобного класса построены на основе традиционных схем формирования наносекундных высоковольтных импульсов, включающих промежуточные накопители энергии. В большинстве случаев первичным накопителем такой установки является генератор Аркадьева-Маркса с временем вывода энергии -1-1,5 мкс. В качестве промежуточных накопителей используются емкостные накопители на водяных линиях или индуктивные накопители с плазменными или другого типа прерывателями тока. Наличие промежуточных накопителей ведет к увеличению габаритов установки, повышению стоимости и сложности ее эксплуатации и обслуживания.

С середины 90-х годов прошлого века в Отделе импульсной техники ИСЭ СО РАН разрабатывается технология построения мощных импульсных генераторов на основе ступеней LTD (от Linear Transformer Driver). LTD-генератор относится к классу индукционных генераторов, таких, как линейный индукционный ускоритель (ЛИУ), сумматор индуктивного напряжения (IYA - Inductive* Voltage Adder) и линейный импульсный трансформатор (ЛИТ). Во всех индукционных генераторах используется закон электромагнитной индукции М. Фарадея, согласно которому изменение потока индукции ф в полости разрезанного тороидального экрана (индуктора) приводит к появлению на разрезе электродвижущей силы, пропорциональной скорости изменения потока индукции, s ~ d(j)/dt. Отличительным свойством всех индукционных генераторов является то, что в момент срабатывания их индукторы имеют нулевой потенциал.

ЛИГУ состоит из нескольких последовательно включенных индукторов, напряжение на разрезе каждого индуктора используется для ускорения пучка заряженных частиц, распространяющегося вдоль оси всей сборки. Поскольку заряженные частицы распространяются с конечной скоростью, то на каждом последующем зазоре они появляются с задержкой относительно предыдущего, а потому индукторы ЛИУ включаются последовательно, чтобы синхронизовать появление ускоряющего напряжения на очередном зазоре с моментом пролета пучка через этот зазор. Пучок удерживается на оси внешним магнитным полем, энергия частиц на выходе определяется суммой ЭДС отдельных индукторов.

IVA-генератор также содержит несколько индукторов, но, в отличие от ЛИУ, вдоль оси этих индукторов расположен центральный электрод, который вместе с внутренней цилиндрической поверхностью индукторов образует выходную линию, включенную на нагрузку. Важнейшим достоинством принципа IVA является то, что эта линия работает в режиме бегущей волны, когда энергия от каждого индуктора распространяется без отражений только в сторону нагрузки. Для этого каждый последующий индуктор IVA-генератора запитывается синхронно с распространением электромагнитной волны по выходной линии, при этом волновой импеданс этой линии постепенно увеличивается от индуктора к индуктору в направлении нагрузки, чтобы в любом сечении быть согласованным с суммарным внутренним сопротивлением предыдущих индукторов. В результате выходной импульс напряжения на согласованной нагрузке идеального IVA-генератора представляет собой сумму импульсов напряжения на зазорах всех индуктора, вне зависимости от длительности этих импульсов и общего количества индукторов в генераторе.

ЛИТ может состоять из одного или нескольких индукторов. Если это только один индуктор, то внутри него расположены несколько параллельных первичных витков, запитываемых одновременно. К зазору этого индуктора подключается нагрузка, при этом он должен быть изолирован на полное выходное напряжение. Поскольку первичные витки запитываются одновременно и длительность питающих импульсов составляет величину порядка 1 мкс, эквивалентная схема такого ЛИТ представляет собой совокупность последовательно включенных первичных контуров, которые разряжаются на нагрузку через индуктивность индуктора. Присутствие в схеме этой индуктивности ведет к уширению выходного импульса во времени, поэтому выходной импульс напряжения ЛИТ не является суммой импульсов напряжения первичных контуров, искажаясь тем сильнее, чем больше количество первичных контуров. IVA-подобный генератор, состоящий из нескольких индукторов с центральным электродом на оси, в котором все индукторы запитываются одновременно и/или выходная линия имеет постоянное волновое сопротивление по всей длине, является также ЛИТ в том смысле, что его выходное напряжение не -является суммой импульсов напряжения на зазорах индукторов, и зависит от числа индукторов и длительности питающих импульсов. В частности, если электрическая длина выходной линии много меньше длительности питающих импульсов, то эта линия представляет собой индуктивность, включенную последовательно с нагрузкой.

Подобно IVA и ЛИТ, LTD-генератор состоит из нескольких индукторов, получивших название «LTD-ступени», вдоль оси которых расположен центральный электрод. Основным отличием LTD-ступени от индукторов ЛИУ, IVA и ЛИТ является то, что LTD-ступень включает в себя первичный накопитель энергии. По этой причине LTD-генераторы имеют ряд особенностей, основными из которых являются следующие:

1) поскольку LTD-ступень включает первичный накопитель, LTD-генератор более компактен по сравнению с генераторами подобного уровня мощности. Как будет показано далее, LTD-генератор с выходной мощностью л

1 ТВт и током ~1 МА занимает площадь всего ~8 м ;

2) как любой первичный накопитель, LTD-генератор много проще генераторов с промежуточными накопителями энергии. Каждая LTD-ступень состоит всего из 3-х основных компонентов: конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников;

3) поскольку LTD-ступень включает в себя первичный накопитель, удобнее собирать его секции из конденсаторов с небольшими размерами. Как правило, уменьшение размера конденсатора сопровождается снижением его емкости. Но снижение емкости (до -10-40 нФ) в LC-контуре секции позволяет получать короткие выходные импульсы даже при относительно высокой индуктивности секции (-250 нГн). Таким образом, технология LTD способствует построению LTD-генераторов прямого действия, в которых короткий выходной импульс (с временем нарастания на согласованной нагрузке -50-100 не) формируется самим первичным накопителем;

4) поскольку LTD-генератор состоит из нескольких управляемых ступеней, он может использоваться как в режиме ЛИТ, так и в режиме IVA.

Указанные особенности технологии LTD представляют интерес для создания мощных импульсных генераторов 100-нс диапазона длительности без каких-либо промежуточных накопителей энергии, отличающихся простотой и компактностью. j

Данная работа построена следующим образом: в Главе 1 изложены история создания и конструктивные особенности отдельных типов индукционных генераторов, и сформулированы задачи, поставленные перед диссертационной работой. Глава 2 посвящена исследованию одного из основных элементов быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией -газового разрядника типа Fast LTD. В Главе 3 описана конструкция, результаты испытаний и численного моделирования самой мощной на данный момент ступени LTD, у которой мощность составляет -100 ГВт при токе ~1 МА, нарастающем в согласованной нагрузке за время -100 не. В Главе 4 описана самая быстрая ступень LTD, разработанная к настоящему времени, которая позволяет получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт и током -200 кА, нарастающим за время -40 не.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и исследована быстрая ступень LTD, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью -100 ГВт и током -1 МА, нарастающий за время —100 не.

2. Разработана и исследована быстрая ступень LTD, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью —20 ГВт и током -200 кА, нарастающий за время ~40 не (при длительности ~75 не на полувысоте импульса напряжения).

3. Уменьшение длительности выходного импульса быстрых ступеней LTD за счет снижения емкости накопительных конденсаторов производства компании General Atomics до ~ единиц нФ ведет к снижению эффективности передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку примерно на 5%. С помощью технологии LTD можно строить установки с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до ~ 30 не и эффективностью до -75%.

4. Для оценки выходных параметров импульсных установок, построенных на быстрых ступенях LTD с масляной изоляцией с конденсаторами производства General Atomics емкостью 8-40 нФ, можно использовать линейный RLC-контур, эквивалентный параллельному включению секций на нагрузку и импеданс сердечника в предположении, что полная индуктивность секции и сопротивление разрядника постоянны и равны 240 нГн и 0.12 Ом, соответственно.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Синебрюхов, Вадим Анатольевич

4.4. Выводы.

1. Разработана и испытана ступень LTD 16-8 с мощностью ~20 ГВт и током -100 кА, нарастающим в согласованной нагрузке -0.5 Ом за время -40 не (при длительности -75 не на полувысоте импульса напряжения). Эта ступень включает 32 накопительных конденсаторов и 16 разрядников, образующих 16 идентичных секций, включенных параллельно.

2. Испытания этой ступени показали, что ее разрядный контур может быть представлен в виде линейного RLC-контура, эквивалентного параллельному включению секций на нагрузку и импеданс сердечника в предположении, что полная индуктивность секции и сопротивление разрядника постоянны и равны L; = 240 нГн и RSw = 0.12 Ом, как и в случае ступени 1 MA LTD. Это оправдывает использование линейного RLC-контура с L; = 240 нГн и RSw = 0.12 Ом для оценки параметров импульсных установок, использующих быстрые ступени LTD с масляной изоляцией, построенные на конденсаторах производства General Atomic с емкостью 8-40 нФ.

3. Эффективность передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку в ступени LTD 16-8 определяется, в основном, потерями энергии в конденсаторах и сердечнике ступени и составляет -75%.

Заключение

В данной работе исследована коммутационная характеристика искрового многозазорного разрядника и показано, что ее несовершенство эквивалентно включению в разрядный контур накопителя нелинейного сопротивления и индуктивности, которые могли бы ограничивать выходную мощность ступеней LTD и эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку при попытке снижения длительности выходного импульса за счет уменьшения емкости накопительных конденсаторов. Тем не менее, выполненные эксперименты и расчеты показали, что сопротивление и индуктивность разрядника не оказывают катастрофического отрицательного воздействия на параметры ступеней LTD при снижении емкости накопительных конденсаторов до единиц нф. Таким образом, можно ожидать, что технология LTD может быть использована для построения импульсных установок с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения вплоть до ~30 не.

Показана возможность построения быстрых ступеней LTD, позволяющих получить в согласованной нагрузке -0.1 Ом импульс мощности -100 ГВт, с током -1 МА, нарастающим за -100 не. Эти ступени состоят из 40 идентичных секций, включенных параллельно на общую нагрузку, эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет -70%. Показана возможность построения еще более быстрых ступеней LTD с мощностью -20 ГВт и током -100 кА, нарастающим в согласованной нагрузке -0.5 Ом за время -40 не (при длительности -75 не на полувысоте импульса напряжения). Эта ступень состоящих из 32-х накопительных конденсаторов и 16 разрядников, образующих 16 идентичных секций, включенных параллельно. Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет -75%.

Достигнутый разброс моментов срабатывания разрядников позволяет рассчитывать основные выходные параметры обоих типов ступеней с f помощью линейного RLC-контура, представляющего собой параллельное включение соответствующего числа секций, индуктивность каждой из которых постоянна и равна 240 нГн. Такая возможность значительно облегчает проектирование различных LTD-генераторов.

Достигнутые параметры быстрых ступеней LTD позволяют говорить о принципиальной возможности построения мощных LTD-генераторов 100-нс диапазона длительности, отличающихся простотой, унифицированностью и компактностью. Для практического использования технологии LTD необходимо решить все вопросы, связанные с надежностью их элементной базы, т.е. конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников. Решению этих вопросов автор намерен посвятить свою дальнейшую деятельность.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность академику РАН Ковальчуку Б.М., доктору технических наук Киму A.A. и всем сотрудникам Отдела импульсной техники ИСЭ СО РАН за оказанную помощь.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Синебрюхов, Вадим Анатольевич, 2009 год

1. А.А. Воробьев. Ускорители заряженных частиц. M.-JL, Гос. Энергетическое изд-во, 1949

2. N.C. Christofilos, R.E Hester., W.A. Lamb, et al. Rev Sci. Instrum., 1964, v. 35, No. 7, p. 886-890.

3. J.W. Beal, N.C. Christofilos, R.E. Hester. IEEE Trans.Nucl Sci., 1969, NS-16, No. 3, part 1, p. 294.

4. А.И. Анацкий, O.C. Богданов, П.В. Букаев, Ю.П. Бахрушин и др. Атомная энергия, 1966, т.21, вып. 6, с. 439.

5. Ю.П. Бахрушин, А.И. Анацкий. Линейные индукционные ускорители. М., Атомиздат, 1978.

6. Высокие плотности энергии: сборник научных трудов. РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, 1997, с. 107.

7. B.C. Босамыкин, А.И. Герасимов, А.П. Клементьев, А.И. Павловский. Линейный индукционный ускоритель, АС 205178 СССР, МКИ H05h / БИ, 1967, №23, с. 168.

8. А.И. Герасимов, Многоканальные разрядники с ламельными электродами, их развитие и применение. Препринт ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 86-2003; ПТЭ, 2004, №1, с. 5.

9. B.C. Босамыкин, А.И. Павловский. Линейный индукционный ускоритель, АС 270913 СССР, МКИ H05h 7/04 / БИ, 1971, №34, с. 223.

10. А.И. Павловский, B.C. Босамыкин. Линейные индукционные ускорители на радиальных линиях /В сб. Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики, Ред. А.П. Александров, Л.: Наука, 1984, с. 132148.

11. R.W. Miller, K.R. Prestvich, J.M. Poukey, et al. J. Appl. Phys., 1981, p. 11841186.

12. A.I Pavlovskiy V.S. Bossamykin, A J Gerasimov, V.A. Tananakin, et al. Proc.9th Inter. Conf. High-Power Particle Beams, 1992, v.l, p. 273-282.

13. G.A. Mesyats, Proc. 2nd IEEE Inter. Pulsed Power Conf, Lubbock, 1979, p. 916

14. Н.Ф. Ковшаров, A.B. Лучинский, Г.А. Месяц, и др. Новости термоядерных исследований, 1986, вып. 4 (42), с. 1

15. Н.Ф. Ковшаров, А.В. Лучинский, Г.А. Месяц, и др. ПТЭ, 1987, № 6, с. 8489.

16. Н.А. Ратахин. Разработка и исследование источников мощных наносекундных потоков заряженных частиц и рентгеновского излучения. Дисс. доктора ф.-м. наук, Томск, 2000.

17. А.В.Лучинский, Н.А.Ратахин, В.Ф.Федущак, А.Н.Шепелев. Изв.вузов. Физика, 1995, №12, с. 58-66.

18. J.J. Ramirez et al. Proc. 5th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1985, p.143-146.

19. J.J. Ramirez et al. Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1987, p.295-299.

20. J.J. Ramirez et al. Proc. 7th IEEE Pulsed Power Conf, Monterey, California, 1989, p.26-31.

21. G.J. Denison, et al. Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1987, p. 490-493.

22. C.W. Huddle, D.L. Johnson, et al. Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, Virginia, 1987, p. 494-497.

23. J.P. Corley et al. Proc. 8th IEEE Pulsed Power Conf, San Diego, California, June 16-19, 1991, p. 920-923.

24. T. Akiba et al. Proc. 6th Inter. Conf. High-Power Particle Beams, Kobe, Japan, June 9-12, 1986.

25. D.L. Johnson, et al. Proc. 9th IEEE Pulsed Power Conf, Albuquerque, New Mexico, June 21-23, 1993.

26. I.I. Smith, et al. Proc. 12th IEEE Pulsed Power Conf, Monterey, California,1. June 27-30, 1999.

27. Б.М. Ковальчук, и др. Известия вузов. Физика., 1997, №12, с. 25.

28. A.N. Bastrikov, A.A. Kim, В.М. Kovalchuk, et al Proc. 11th IEEE Inter. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 489-497.

29. Ph. Monjaux, D. Huet, et al. Proc. 11th IEEE Inter. Pulsed Power Conf., Baltimore, 1997, p. 687-697.

30. Ch. Mangeant, B. Riques, et al. Proc. 15th Inter. Conf. High-Power Beams, St. Petersburg, 2004, p. 209-212.'

31. А.А. Ким. Мощные первичные накопители с временем вывода энергии менее 1 мкс. Дисс. доктора техн. наук, Томск, 2001.

32. А.А. Kim, В.М. Kovalchuk. Proc. 12th Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2000, p. 263-267.

33. C.L. Olson. Inertial confinement fusion: z-pinch. Landolt-Bornstein, New Series VIII/3B, Springer, 2005, ISBN: 3-540-42891-7, p. 495-528.

34. W.A. Styger, M.E. Cuneo, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v. 10, 030401, 2007.

35. W.A. Stygar, W.E. Fowler, et al. Shaping the output pulse of a linear-transformer-driver module. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v. 12, 030402, 2009.

36. M. Toury, C. Vermare, et al. IDERIX: an 8 MV flash X-rays machine using a LTD design. Proc. 16th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, New Mexico, 2007, p. 599-602.

37. B.B. Кремнев, Г.А. Месяц. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск, Наука, 1987, с. 191-194.

38. V.A. Sinebiyukhov, А.А. Ют, et al. Multi gap switch for fast LTD stages. Proc. Megagauss 2008, Novosibirsk, 2008.

39. A.H. Бастриков, A.K. Ким, Б.М. Ковальчук, B.B. Кремнев, E.B. Кумпяк, А.А. Новиков, Н.В. Цой. Низкоиндуктивные многозазорные разрядники. Известия вузов. Физика, 1997, №12, с. 5-16.

40. В. Kovalchuk, A. Kim, Е. Kumpjak, N. Zoi, J. Corley, D. Johnson, K. Struve. Multi gap switch for Marx generators. Proc. XIII IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, 2001, v. 2, p. 1739-1742.

41. A.A. Kim, V.G. Durakov, S.N. Volkov, A.N. Bastrikov, B.M. Kovalchuk, V:A. Synebryukhov, et al. Gas switch performance depending on current in the circuit. Proc. 14th Symp. High Current Electronics, Tomsk 2006, p.297-300.

42. С.И. Брагинский. К теории развития канала искры. ЖЭТФ, 1958, т. 346 вып. 6, с. 1548-1557.

43. A. A. Kim, A. N. Bastrikov, S. N. Volkov, V. G. Durakov, В. M. Kovalchuk, V. A. Sinebryukhov. 100 GW Fast LTD Stage. Proc. 13th Inter. Symp. High Current Electronics, Tomsk 2004, p. 141-144.

44. V.A. Vizir, A.D. Maksimenko, V.I. Manylov, G.V. Smorudov.Submicrosecond pulsed high-power transformer magnetic cores. Proc. 13th Intern. Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2004, pp. 198-200.

45. C.C. Вдовин. Конструирование импульсных трансформаторов. Ленинград, Энергия, 1971.

46. F. Bayol, частное сообщение (e-mail от 31 июля 2008 г). '

47. A.A. Kim, A.N.Bastrikov, S.N.Volkov, V.G.Durakov, B.M. Kovalchuk, V.A.Sinebrykhov. Development of the ultra-fast LTD stage. Proc. 14th Intern.Conf.High-Power Particle Beams, Albuquerque 2002, p.81-84.

48. ELCUT (TM), Версия 4.2.0.3. Производственный кооператив TOP, С анкт-Петербург.

49. A. A. Kim , S. V. Frolov, V. М. Alexeenko, V. A. Sinebryukhov. Prefire Probability of the Switch Type Fast LTD. Abstracts 17th IEEE Pulsed Power Conf., Washington, DC, June 28-July 2, 2009, p. 216.