устройство для формирования высоковольтного импульса напряжения

Формула изобретения

1. Устройство для формирования высоковольтного импульса напряжения, включающее последовательно соединенные импульсный источник тока, индуктивный накопитель энергии, размыкатель тока и нагрузку, через обостряющий разрядник подключенную параллельно размыкателю тока, состоящему по меньшей мере из одного электрически взрывающегося проводника, одним концом соединенного с импульсным источником тока, а другим с индуктивным накопителем энергии, отличающийся тем, что электрически взрывающийся проводник расположен в диэлектрической оболочке с зазором.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь сечения, ограниченная внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью электрически взрывающегося проводника, не более чем в 20 раз больше площади сечения электрически взрывающегося проводника.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что размыкатель тока выполнен в виде двух с противоположной намоткой коаксиально расположенных соленоидов одинаковой длины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к технике генерации сильноточных электронных пучков с помощью высокоэнергетических индуктивных накопителей энергии.

При использовании индуктивных накопителей энергии в качестве источников питания сильноточных импульсных ускорителей заряженных частиц требуемые амплитуды импульсов напряжения получают при разрыве токового контура индуктивного накопителя с помощью различного рода размыкателей тока, а длительность импульса напряжения, как правило, определяется параметрами индуктивного накопителя и нагрузки.

Известно «Устройство для формирования высоковольтных импульсов», см. АС СССР №1443744 от 30.03.1987, МКИ: Н 03 К 3/53, автора А.С.Кравченко, опубликованное в БИПМ №33, II часть, от 27.11.2000 г., содержащее два соленоида в качестве индуктивных накопителей энергии, два размыкателя в виде набора электрически взрывающихся проводников. Размыкатели выполнены в виде полых цилиндров и установлены внутри соленоидов, образуя коаксиальную конструкцию. Электрически взрываемые проводники размещены равномерно по образующим цилиндра с центром на оси устройства.

При формировании импульсов напряжения мегавольтного диапазона такое устройство обладает большими габаритами из-за требуемой большой длины прямолинейных электрически взрывающихся проводников.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для формирования импульса напряжения для питания ускорителей электронов [см. статью «Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрываемых проволочках» авторов Ю.А.Котова. А.В.Лучинского в книге «Физика и техника мощных импульсных систем» под редакцией академика Е.П.Велихова. Энергоатомиздат, 1987 с.207-208].

Устройство для формирования высоковольтного импульса включает импульсный источник тока, индуктивный накопитель энергии, размыкатель тока в виде электрически взрывающихся медных проводников, один конец которого соединен с индуктивным накопителем энергии, а другой - с источником тока, и нагрузку в виде сильноточного диода, подключающуюся с помощью высоковольтного разрядника параллельно размыкателю. Индуктивный накопитель выполнен в виде цилиндрического соленоида на высоковольтном изоляторе с внутренней полостью по оси соленоида. Размыкатель представляет собой набор параллельных электрически взрывающихся проводников (ЭВП), намотанных на диэлектрический стержень в виде многозаходного соленоида, и располагается коаксиально с соленоидом индуктивного накопителя энергии в полости высоковольтного изолятора. Из-за высокой напряженности электрического поля на спиральном размыкателе внутренняя полость высоковольтного изолятора заполнялась азотом под давлением 0,5 МПа или трансформаторным маслом, таким образом, она должна была соответствовать всем требованиям, предъявленным к сосудам высокого статического давления. Обеспечение электрической прочности узла разрыва за счет высокого давления газа, окружающего электрически взрывающиеся спиральные проводники, приводит к усложнению конструкции размыкателя, а использование трансформаторного масла связано, как известно, с уменьшением активного сопротивления размыкателя тока при одинаковой тепловой энергии, вводимой в ЭВП [см. Р.Рейтель. Дж.Блэкборн. Гидродинамическое объяснение аномального сопротивления взрывающихся проводников. В книге «Электрический взрыв проводников», перевод с английского под редакцией А.А.Рухадзе и И.С.Шпигеля. Издательство «МИР», Москва. 1965 г., а также Ю.А.Котов. А.В.Лучинский. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрывающихся проводниках, в книге «Физика и техника мощных импульсных систем» под ред. Е.П.Велихова. Энергоатомиздат, 1987 г., с.192]. Уменьшение активного сопротивления размыкателя приводит к уменьшению величины импульса напряжения на нем и, соответственно, на нагрузке и уменьшению КПД устройства, а также к увеличению длительности фронта импульса напряжения на нагрузке.

При создании данного изобретения решалась задача согласования относительно низкоимпедансного источника тока с высокоимпедансной нагрузкой, сокращения габаритов устройства и сокращения длительности фронта импульса на нагрузке. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования высоковольтного импульса напряжения, включающем: импульсный источник тока, индуктивный накопитель энергии, размыкатель тока, последний состоит по меньшей мере из одного электрически взрывающегося проводника в диэлектрической оболочке с зазором, один конец которого соединен с импульсным источником тока, а другой - с индуктивным накопителем энергии. Электрически взрывающиеся проводники в размыкателе имеют спиральную конструкцию и каждый помещается в диэлектрическую оболочку, например полиэтиленовую, таким образом, что площадь сечения, ограниченная внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью электрически взрываемого проводника, не более чем в 20 раз больше площади сечения электрически взрывающегося проводника, а размыкатель выполнен в виде двух с противоположной намоткой коаксиально расположенных соленоидов равной длины.

При протекании тока в размыкателе, выполненном из электрически взрывающихся проводников, резкое увеличение активного сопротивления размыкателя начинается во время газодинамического разлета проводников. К этому моменту времени газокинетическое давление на границе области смеси фаз достигает сотен мегапаскаль, а при наличии диэлектрической оболочки величина давления внутри нее может достигать нескольких мегапаскаль.

При наличии зазора между электрически взрывающимся проводником и диэлектрической оболочкой скорость волны испарения с поверхности проводника остается такой же, как и без диэлектрической оболочки за счет того, что плотности электрически взрывающегося проводника и продуктов испарения отличаются более чем в 10 раз. В то же время высокое давление, возникающее в диэлектрической оболочке, препятствует развитию шунтирующего разряда по продуктам электрического взрыва проводника и таким образом увеличивает активное сопротивление размыкателя.

Увеличение активного сопротивления размыкателя приводит также к уменьшению времени нарастания тока в нагрузке при неизменной величине индуктивности размыкателя и нагрузки. При отсутствии зазора между электрически взрывающимся проводником и диэлектрической оболочкой скорость волны испарения проводника с поверхности уменьшается с увеличением плотности среды, и, соответственно, падает скорость нарастания активного сопротивления размыкателя и его конечная величина, а поглощенная им энергия возрастает. Если площадь сечения, ограниченная внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью электрически взрываемого проводника, более чем в 20 раз больше площади сечения ЭВП, то, при исследуемых временах ввода тепловой энергии, наличие диэлектрической оболочки не сказывается на характере электрического взрыва проводника.

Указанная совокупность признаков позволяет существенно уменьшить габариты размыкателя за счет спиральной конструкции электрически взрываемого проводника, а требуемая электрическая прочность достигается за счет высокого давления, развиваемого в процессе электрического взрыва проводника в диэлектрической оболочке, а не с помощью сосуда статического высокого давления, как в прототипе. Отказ от сосуда статического высокого давления и спиральная конструкция электрически взрывающегося проводника существенно упрощают конструкцию размыкателя, уменьшают его габариты и повышают его коммутационные характеристики, т.е. повышают развиваемую на нагрузке мощность за счет увеличения импульса напряжения, уменьшают фронт импульса напряжения на нагрузке.

На фиг.1 приведена заявляемая схема устройства для формирования высоковольтного импульса напряжения. На фиг.2 приведен один из вариантов изготовления малоиндуктивного размыкателя. На фиг.3 изображено поперечное сечение электрически взрывающегося проводника в диэлектрической оболочке с зазором.

Устройство для формирования высоковольтного импульса напряжения включает импульсный источник тока 1, индуктивный накопитель энергии 2 и размыкатель 3, состоящий по меньшей мере из одного электрически взрывающегося проводника 4, один конец которого соединен с импульсным источником тока 7, а другой - с индуктивным накопителем энергии 2. Электрически взрывающийся проводник 4 расположен в диэлектрической оболочке 5 с зазором 6. Площадь сечения, ограниченная внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью ЭВП, не более чем в 20 раз больше площади сечения ЭВП.

Размыкатель выполнен в виде двух соленоидов 7 и 8 с противоположной намоткой. Кроме того, соленоиды 7 и 8 расположены на диэлектрическом каркасе 9, расположенном внутри и коаксиально с каркасом 10 индуктивного накопителя энергии 2.

Нагрузка 11 в виде жидкостного резистора подключается параллельно размыкателю 3 с помощью высоковольтного разрядника 12.

Устройство работает следующим образом.

Источник тока 1 создает в индуктивном накопителе 2 с величиной индуктивности L импульс тока с амплитудой I. Сечение и длина электрически взрывающихся проводников в размыкателе 3 подбираются такими, чтобы, при создании в индуктивном накопителе импульса тока с амплитудой I, активное сопротивление размыкателя было много меньше импеданса индуктивного накопителя, а величина тепловой энергии на активном сопротивлении размыкателя, к моменту достижения тока своего максимума, равнялась примерно величине энергии сублимации электрически взрываемого проводника размыкателя. При нагреве проводников 4 в размыкателе 3 и их частичном испарении на границе смеси фаз создается давление порядка сотен мегапаскаль, а в зазоре диэлектрической оболочки 5 - давление порядка нескольких мегапаскаль, которое препятствует развитию шунтирующего разряда по продуктам электрического взрыва проводников, вследствие чего величина активного сопротивления размыкателя будет существенно больше, чем при отсутствии диэлектрической оболочки с газовым зазором или в случае диэлектрической среды без газового зазора [см. Ю.А.Котов, А.В.Лучинский. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрывающихся проволочках. В книге «Физика и техника мощных импульсных систем». Под ред. Е.П.Велихова, Энергоатомиздат. 1987 г., с.192].

При испарении проводников 4 в размыкателе 3 активное сопротивление последнего резко возрастает, соответственно резко увеличивается величина импульса напряжения на размыкателе и, при достижении заданной величины, происходит пробой разрядника обострителя 12 и магнитная энергия, запасенная к этому моменту времени в индуктивном накопителе и равная W=LI²/2, передается в нагрузку 11 с величиной активного сопротивления R_н. Если величина активного сопротивления размыкателя, равная R, много больше величины активного сопротивления нагрузки R_н, а величина индуктивности размыкателя и нагрузки много меньше величины индуктивности накопителя энергии L, то практически вся магнитная энергия из индуктивного накопителя может быть передана в нагрузку. Максимальная величина мощности в нагрузке реализуется при условии, что величина активного сопротивления нагрузки примерно равна величине активного сопротивления размыкателя.

В качестве примера рассмотрим источник питания на основе емкостного накопителя энергии для формирования мощного высоковольтного импульса напряжения с амплитудой свыше 1 MB на жидкостном резисторе с величиной активного сопротивления 169 Ом. В качестве источника тока использовался генератор Аркадьева-Маркса с величиной электрической емкости в ударе С=10,8 мкФ, заряжаемый до напряжения 210 кВ. Индуктивный накопитель энергии изготавливался из высоковольтного провода КВИ-500 и представлял собой цилиндрический соленоид диаметром 500 мм, величина индуктивности соленоида равнялась 78 мкГн. Размыкатель изготавливался из медной проволочки диаметром 0,63 мм и длиной 4 м, помещенной в полиэтиленовую оболочку с внутренним диаметром 2,6 мм и наружным диаметром 17 мм. Таким образом, площадь отверстия оболочки равняется 5,3 мм² , а площадь поперечного сечения медной проволочки равняется 0,3 мм², т.е. площадь сечения, ограниченная внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью электрически взрывающегося проводника, примерно в 16 раз больше площади сечения электрически взрывающегося проводника.

Конструктивно размыкатель представляет собой цилиндрический соленоид диаметром 250 мм и длиной 500 мм, расположенный коаксиально с индуктивным накопителем в виде соленоида. Величина индуктивности узла разрыва равняется 4 мкГн, величина активного сопротивления в холодном состоянии - 0,25 Ом. Величина индуктивности разрядного контура, образованного источником тока, индуктивным накопителем энергии и размыкателем составляет 105 мкГн. Параллельно размыкателю с помощью обостряющего разрядника с уровнем срабатывания 400 кВ подсоединяется нагрузка в виде жидкостного резистора длиной 200 мм и диаметром 100 мм с величиной активного сопротивления 169 Ом.

При разряде генератора Аркадьева-Маркса на индуктивный накопитель энергии и последовательно соединенный с ним размыкатель ток в разрядном контуре нарастает примерно по закону

I=67·10³ sin 3·10 ⁴t.

При величине тока, равной примерно 35 кА. происходит резкий рост активного сопротивления размыкателя, напряжение на размыкателе резко увеличивается и при достижении величины 400 кВ происходит срабатывание разрядника и подключение нагрузки параллельно размыкателю. Время нарастания импульса тока в нагрузке от 0 до 6 кА происходит примерно за 0,3 мкс. Максимальная величина импульса тока в нагрузке составляет 7 кА, длительность импульса тока на полувысоте 2 мкс. При отсутствии диэлектрической оболочки на электрически взрывающейся проволочке время нарастания импульса тока в нагрузке от 0 до 1 MB примерно тоже. т.е. 0,3 мкс, однако максимальная величина импульса напряжения ниже примерно на 10%, а длительность импульса тока на полувысоте примерно в 2 раза меньше и равняется примерно 1 мкс. При использовании полиэтиленовой оболочки без зазора амплитуда импульса тока в нагрузке уменьшается примерно на 20%, а длительность фронта импульса тока увеличивается до 0,5 мкс. Таким образом, заявляемое устройство позволяет формировать мощные импульсы тока с максимальной величиной напряжения более 1 MB. при этом время нарастания импульса напряжения на активном сопротивлении нагрузки величиной 169 Ом менее 0,3 мкс. При использовании в размыкателе системы параллельных тонких электрически взрывающихся проволочек время нарастания импульса тока от 0 до максимума может быть уменьшено до 0,1 мкс.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство имеет существенно меньшие, примерно на 20%, габаритные размеры и позволяет формировать в нагрузке импульсы тока с длительностью фронта импульса в 1,5 раза меньшей, чем в прототипе.