Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD) с масляной изоляцией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение Российской Академии наук Институте сильноточной электроники СО РАН

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD) с масляной изоляцией

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

Синебрюхов Вадим Анатольевич

Томск - 2009

Работа выполнена в учреждении Российской Академии наук Институте сильноточной электроники СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник Ким Александр Андреевич (ИСЭ СО РАН, г. Томск)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Филатов Александр Леонидович (Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург)

доктор технических наук, старший научный сотрудник Абдулин Эдуард Нуруллович (ИСЭ СО РАН, г. Томск)

Ведущая организация: Государственный Научный Центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований г. Троицк, Московской области.

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 003.031.02 при Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический 2/3.

Автореферат разослан 2009 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

И. о. учёного секретаря диссертационного Совета доктор физико-математических наук Орловский В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

На современном этапе развития импульсной техники остро стоит вопрос создания установок, способных передать в нагрузку за время ~100 нс энергию мегаджоульного диапазона. Традиционная технология формирования мощных наносекундных импульсов предусматривает использование многомодульной системы, где каждый модуль включает первичный накопитель энергии в виде генератора Маркса, разряжающийся за время ~1 мкс на промежуточный емкостной накопитель в виде водонаполненной линии, которая через мегавольтный разрядник с лазерным запуском разряжается на передающую линию и далее на общую нагрузку. Эта технология отрабатывалась в течение последних ~30 лет на многочисленных установках, ее работоспособность доказана при уровне выходной мощности до ~60 ТВт (современный генератор ZR в лаборатории Сандия, США).

В то же время, опыт эксплуатации современных установок показывает, что выходная мощность ~60 ТВт является, по-видимому, предельной для описанной традиционной технологии. При дальнейшем повышении мощности основные проблемы возникают (W.A. Styger, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.10, 030401, 2007) из-за необходимости поддержании требуемого качества воды, высокой вероятности выхода из строя мегавольтных разрядников (~1%), малого времени жизни системы их лазерного запуска (~100 выстрелов) и необходимости ее юстировки перед каждым выстрелом.

В связи с изложенным, актуальной задачей современной импульсной техники является поиск альтернативных принципов построения мощных импульсных генераторов. С середины 90-х годов прошлого века в ИСЭ СО РАН разрабатывается технология построения мощных импульсных генераторов индукционного типа, получивших название LTD-генераторы (от английского Linear Transformer Driver). LTD-генераторы представляют собой первичный накопитель энергии, способный без каких-либо промежуточных накопителей передать в согласованную нагрузку импульс электрической энергии с временем нарастания порядка 100 нс и менее. Основным элементом такого генератора является индуктор, включающий в себя первичный накопитель энергии и получивший название «ступень LTD». Данная диссертационная работа посвящена созданию и исследованию двух типов быстрых ступеней LTD и искровых разрядников, которые в них используются для коммутации первичного накопителя на нагрузку.

Цели и задачи исследования

1. Исследование коммутационной характеристика газовых разрядников быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией и определение ее влияния на параметры разрядного контура ступени.

2. Определение предельных возможностей по снижению длительности выходного импульса быстрых ступеней LTD за счет снижения емкости накопительных конденсаторов.

3. Разработка быстрой ступени LTD, позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~100 ГВт при токе ~ 1 МА, нарастающий за время ~100 нс.

4. Разработка быстрой ступени LTD, позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт при токе ~200 кА, нарастающий за время ~40 нс.

Положения, выносимые на защиту

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

2. Разработана и исследована быстрая ступень LTD16-8, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью ~20 ГВт и током ~200 кА, нарастающий за время ~40 нс (при длительности ~75 нс 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 на ~5%. С помощью технологии LTD можно строить установки с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до ~ 30 нс и эффективностью до ~70%.

4. При проектировании LTD-генераторов, 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.

Научная новизна

1. Показано, что несовершенство коммутационной характеристики искрового разрядника эквивалентно внесению в разрядный контур накопителя не только сопротивления, но и индуктивности, величина которой зависит от тока, протекающего через разрядник.

2. Показано, что эффективность передачи энергии быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией в согласованную нагрузку составляет ~70-75% и определяется, в основном, потерями энергии в использованных накопительных конденсаторах и ферромагнитных сердечниках.

3. Показано, что достигнутая нестабильность включения искровых многозазорных разрядников позволяет создавать ступени LTD в составе 40-ка параллельных секций, обеспечивающих выходной импульс с временем нарастания ~100 нс, и в составе 16-ти параллельных секций, обеспечивающих выходной импульс с временем нарастания ~50 нс.

4. Продемонстрирована работа модуля в составе 5-ти ступеней 1 МА LTD в режиме ЛИТ на нагрузку в виде вакуумного электронного диода.

Практическая значимость

Электрические параметры ступени 1МА LTD, разработанной в ходе данной диссертационной работы, позволяют рассматривать ее в качестве основного элемента для создания LTD-генератора с выходной мощностью ~1000 ТВт для проведения исследований в области инерциального термоядерного синтеза на основе Z-пинчей (W.A. Styger, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.10, 030401, 2007). В 2007 году одна такая ступень поставлена в лабораторию плазмы, импульсной техники и СВЧ-излучения университета Мичиган, США. В 2008 г. ступени 1 МА LTD в количестве 10 шт. поставлены в Лабораторию Сандия, США.

Ступень LTD16-8, разработанная в ходе данной работы, поставлена для изучения и проведения дополнительных исследований в компанию ITHPP, Франция.

Апробация и достоверность результатов работы

Материалы работы докладывались на научных семинарах Института сильноточной электроники СО РАН, на 13-м (Томск, 2004 г.) и 14-м (Томск, 2006 г.) Международных симпозиумах по сильноточной электронике; на 14-й (Альбукерк, 2002 г.) и 15-й (Санкт-Петербург, 2005 г.) Международных конференциях по мощным пучкам заряженных частиц; на 16-й (Альбукерк, 2007 г.) и 17-й (Вашингтон, 2009 г.) Международных конференциях по импульсной технике; на 4-м (Нагаока, 2003 г.) Международном симпозиуме по применениям импульсной техники и плазмы; на 12-й (Новосибирск, 2008 г.) Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в проектировании, исследованиях и анализе результатов экспериментов с разрядниками типа Fast LTD, быстрыми ступенями 1МА LTD и LTD16-8. При его активном участии проводились все физические эксперименты на установках, созданных на основе быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией в ИСЭ СО РАН.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано: 3 статьи в научных журналах, 10 докладов в материалах Международных симпозиумов и конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. Полный объём диссертации составляет 103 страницы, включая 55 рисунков, 3 таблицы, два приложения и список литературы из 54-х наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется её цель, перечисляются результаты, представляющие научную и практическую ценность, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе описаны известные типы индукционных генераторов, рассмотрены основные схемы их включения и конструктивные особенности.

В индукционных генераторах используется закон электромагнитной индукции, согласно которому изменение потока индукции в полости разрезанного тороидального экрана (индуктора) приводит к появлению на разрезе электродвижущей силы, пропорциональной скорости изменения потока индукции, ~ d/dt. Изменение потока индукции в полости индуктора достигается в результате тороидального разряда в первичном контуре, расположенном внутри этой полости. К индукционным генераторам относятся линейные индукционные ускорители (ЛИУ), линейные импульсные трансформаторы (ЛИТ), индукционные сумматоры напряжения (IVA-генераторы) и LTD-генераторы. Важным свойством всех индукционных генераторов является то, что в момент срабатывания их индукторы имеют нулевой потенциал.

Рисунок 1. LTD-генератор: слева - в режиме ЛИТ, справа - в режиме IVA.

LTD-генераторы (рис. 1) имеют несколько индукторов, получивших название «ступени LTD». LTD-генераторы начались с идеи Б.М. Ковальчука использовать индукционный генератор в качестве первичного накопителя для генератора с промежуточным индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока. В качестве одного из основных достоинством такого генератора рассматривалось отсутствие изолятора на полное выходное напряжение, другим важным достоинством считалась возможность управляемого запуска ступеней, поскольку все они в момент выстрела имеют нулевой потенциал. разрядник конденсатор импульс

Ступени LTD отличаются от индукторов других типов индукционных генераторов тем, что емкостные накопители, питающие их первичные контуры, целиком расположены внутри самих ступеней. Это конструктивное отличие имеет важнейшие следствия, поставившие LTD-генераторы в ряд наиболее перспективных типов генераторов для создания импульсных установок нового поколения - компактность, простоту конструкции и возможность использования в режиме IVA. В режиме IVA LTD-генератор представляет собой генератор прямого действия, позволяющий без искажения формы передать на согласованную нагрузку умноженный на число ступеней импульс напряжения, формируемый емкостным накопителем каждой ступени.

С практической точки зрения представляют интерес быстрые ступени LTD, позволяющие получать на согласованной нагрузке импульсы тока с амплитудой ~1 МА, нарастающие за ~100 нс, а также с амплитудой ~200 кА, нарастающие за ~50 нс.

Малая длительность выходного импульса быстрых ступеней LTD в значительной мере определяется использованием накопительных конденсаторов с пониженной емкостью. Этот метод имеет ряд очевидных ограничений, связанных со снижением эффективности генератора и повышением требований к стабильности включения разрядников и надежности всей элементной базы при уменьшении длительности выходного импульса. В связи с этими ограничениями, к моменту начала данной работы было не очевидно, что существует реальная возможность создания ступеней LTD с параметрами, представляющими интерес для их практического применения в мощных импульсных установках нового поколения.

Первичный накопитель ступени LTD состоит из параллельных секций, каждая из которых включается на нагрузку своим искровым разрядником. В быстрых ступенях LTD с масляной изоляцией используются разрядники типа Fast LTD, исследованию коммутационной характеристики такого разрядника посвящена вторая глава.

Рис. 2. Многозазорный управляемый газовый разрядник типа Fast LTD.

Конструкция этого разрядника показана на рис. 2, это 6-ти зазорный управляемый разрядник, предназначенный для работы в трансформаторном масле при зарядном напряжении до 100 кВ в атмосфере сухого воздуха с давлением до 4 ата.

Для распределения зарядного напряжения по зазорам разрядника используется коронный разряд. На рис. 3. приведены вольт-амперные характеристики коронного разряда в положительной и отрицательной половинах разрядника в зависимости от давления сухого воздуха. Эквивалентное сопротивление коронного разряда имеет порядок ~ 2 ГОм на зазор.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики коронного разряда с отрицательных острий длиной 6 мм в половинах разрядника в зависимости от давления сухого воздуха.

Запуск разрядника осуществляется подачей пускового импульса на средний промежуточный электрод, который при зарядке имеет нулевой потенциал.

Коммутационная характеристика разрядника исследовалась в контуре, содержащем два конденсатора GA35436 (8 нФ, 100 кВ), заряженных в противоположной полярности, которые при срабатывании разрядника включались последовательно на резистивную нагрузку R_L ~ 5-20 Ом, выполненную в виде набора резисторов ТВО-20. Напряжение на нагрузке регистрировалось с помощью высоковольтного делителя напряжения и использовались в дальнейшем для сравнения с расчетами, для которых использовалась программа PSpice.

Было проведено две серии расчетов. В первой серии разрядный контур, включая разрядник, замещался эквивалентной схемой на линейных элементах, показанной на рис. 4. Здесь С₂ -емкость двух последовательно включенных конденсаторов, заряженная до напряжения 2U_S, где U_S - амплитуда зарядного напряжения каждого конденсатора, R₂ - внутреннее сопротивление конденсаторов, L₂ - индуктивность конденсаторов, L_L -индуктивность нагрузки, резистор 114 Ом - эквивалентное сопротивление делителя напряжения.

Рис. 4. Схема RLC-контура на линейных элементах, использованная для определения эквивалентных сопротивления R_SW и индуктивности L_SW разрядника в зависимости от протекающего через него тока.

Рис. 5. Расчетная и экспериментальная осциллограммы напряжения на нагрузке R_L=8.7 Ом при U_S=100 кВ по окончании итерационного процесса при R_SW =0.2 Ом, L_SW =70 нГн.

Постоянные R_SW и L_SW - сопротивление и индуктивность разрядника, которые определялись из сравнения расчетных осциллограмм напряжения на нагрузке с зарегистрированными в эксперименте. На рис. 5 показаны, для примера, расчетная и экспериментальная осциллограммы при U_S=100 кВ, R_L =8.7 Ом по окончании итерационного процесса сравнения при R_SW = 0.2 Ом, L_SW =70 нГн.

Описанная первая серия расчетов показала, что эквивалентные сопротивление и индуктивность разрядника падают при увеличении протекающего по нему тока (рис. 6 и 7, соответственно).

Если падения сопротивления можно было ожидать, то падение индуктивности разрядника с ростом тока требовало объяснения. Для этого была выполнена вторая серия расчетов с использованием схемы с нелинейными элементами, показанная на рис. 8.

Рис. 6. Зависимость эквивалентного сопротивления разрядника R_SW от протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при U_S=100 кВ, черными квадратами - при 90 кВ, черными треугольниками - при 80 кВ, серыми квадратами - при 70 кВ, черным точками - при 60 кВ.

Рис. 7. Зависимость эквивалентной индуктивности разрядника L_SW от протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при U_S=100 кВ, черными квадратами - при 90 кВ, черными треугольниками - при 80 кВ, серыми квадратами - при 70 кВ, черным точками - при 60 кВ.

Здесь разрядник представлен в виде индуктивности L_SW = 60 нГн (минимальное значение, к которому сходятся индуктивность разрядника при больших токах) и блока RBR, представляющего собой нелинейное сопротивление разрядника R_BR, расcчитанное согласно

(1)

где р - давление сухого воздуха в разряднике в ата, d=3.6 см - суммарная длина искрового промежутка, I - ток через разрядник в А, t - время в с, R_BR - сопротивление в Ом. Отметим, что при = 2/3 выражение (1) совпадает с сопротивлением искрового канала в сухом воздухе по модели С.И. Брагинского.

Рис. 8. Схема Pspice, моделирующая разрядник в виде последовательного включения постоянной индуктивности L_SW и нелинейного сопротивления R_BR, рассчитанного по (1) при = 0.85.

Вторая серия расчетов показала, что при = 0.85 результаты расчета с точностью не хуже 10% (по величине зарядного напряжения) позволяют воспроизвести (как на рис. 5) все осциллограммы напряжения на нагрузке, полученные в эксперименте, т.е. объяснить графики, представленные на рис. 6 и 7. Соотношение (1) представляет собой коммутационную характеристику разрядника, при этом идеальному разряднику соответствует = (при этом сопротивление R_BR обращается в нуль при любом отличном от нуля токе). Конечная величина свидетельствует о несовершенстве коммутационной характеристики, что проявляется во внесении в разрядный контур, как дополнительного сопротивления, так и дополнительной индуктивности, зависящих от протекающего по разряднику тока.

Схема на рис. 8 (без резистора 114 Ом) при = 0.85 была использована для определения потерь энергии в разряднике и эффективности передачи энергии в согласованную нагрузку в зависимости от емкости накопительных конденсаторов секции. Расчет проводился для определения того, насколько коммутационная характеристика разрядника ограничивает возможность снижения длительности выходного импульса ступеней LTD за счет снижения емкости конденсаторов. Результаты расчета приведены в Таблице 1, где С₂ - эквивалентная емкость двух последовательно включенных накопительных конденсаторов, каждый из которых заряжен до напряжения U_S = 100 кВ, R_М - согласованная нагрузка (т.е. нагрузка, на которой мощность достигает максимального значения P_MAX), _ф - длительность фронта импульса напряжения на нагрузке, Е₀ - запасенная энергия, E_R2 - энергия потерь в сопротивлении конденсаторов R₂, E_SW - энергия потерь в разряднике, E_RМ - энергия, переданная в нагрузку R_М, _R2 = 100E_R2/E₀ - доля потерь полной энергии в сопротивлении конденсаторов, _SW = 100E_SW/E₀ - доля потерь полной энергии в разряднике, = 100E_RМ/E₀ - эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку R_М.

Таблица 1. Характеристики нелинейного RLC-контура на рис. 8 при разряде на согласованную нагрузку в зависимости от емкости накопительных конденсаторов.

С2 нФ	RМ Ом	PMAX МВт	Ф нс	E0 Дж	ER2 Дж	ESW Дж	ERМ Дж	R2 %	SW %	%
40	2.607	4390	93.66	800	142.5	38.42	619	17.8	4.8	77.4
20	3.496	3236	70.13	400	54.69	26.41	318.7	13.7	6.6	79.7
10	4.76	2323	52.43	200	20.36	17.78	161.6	10.2	8.9	80.8
4	7.30	1445	35.83	80	5.284	10.22	64.28	6.6	12.8	80.3
2	10.24	982	26.93	40	1.840	6.57	31.47	4.6	16.4	78.7
1	14.5	651	20.33	20	0.630	4.14	15.185	3.15	20.7	75.9

Из таблицы 1 следует, что при уменьшении C₂ доля потерь энергии в разряднике увеличивается, а доля потерь энергии в сопротивлении конденсаторов падает. В результате этих двух противоположных тенденций эффективность передачи энергии в согласованную нагрузку контура остается на примерно одном и том же уровне (~76-81%). При С₂ = 20 нФ схема на рис. 8 примерно соответствует схеме секции с конденсаторам GA35426 (40 нФ, 0.27 Ом, 25 нГн, 100 кВ), которые используются в ступени LTD, описанной в Главе 3. При С₂ = 4 нФ схема на рис. 8 примерно соответствует схеме секции с конденсаторами GA35436 (8 нФ, 0.3 Ом, 35 нГн, 100 кВ), которые используются в ступени LTD, описанной в Главе 4. Из таблицы следует, что в том и другом случае предельная эффективность перевода энергии из накопителя в согласованную нагрузку примерно одинакова и составляет ~80%. Эти расчеты подтверждаются экспериментами (см. далее), в которых получена эффективность ступеней LTD на уровне ~70-75%.

Из таблицы 1 следует, что при снижении емкости конденсаторов до единиц нФ эффективность остается на уровне ~75%. При С₂ = 1 нФ напряжение на согласованной нагрузке равно ~97 кВ, длительность импульса на полувысоте ~30 нс. Таким образом, с помощью технологии LTD можно строить установки с с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до ~ 30 нс и эффективностью до ~70%.

В третьей главе дано описание, а также результаты испытаний и моделирования быстрой ступени LTD (ступень 1МА LTD) с мощностью ~100 ГВт и током ~1 МА, нарастающим в согласованной нагрузке за время ~100 нс.

Рис. 9. Конструкция ступени 1MA LTD: 1 - индуктор, 2 - разрядник типа Fast LTD, 3 - пусковой провод, 4 - центральный изолятор, 5 - конденсаторы секции (GA 35426), 6 - один из двух боковых изоляторов, 7 - ферромагнитный сердечник, 8 - изолятор масло-вакуум, 9 - разрез индуктора.

Ступень 1МА LTD содержит 40 идентичных секций, расположенных равномерно вокруг оси ступени. Каждая секция состоит из двух конденсаторов GA35426 (100 кВ, 40 нФ, 25 нГн, 0.27 Ом ), искрового разрядника типа Fast LTD и плоских шин, соединяющих конденсаторы секции с разрезом индуктора. На рис. 9 показано сечение ступени в плоскости одной из секций, на рис. 10 - фотография ступени при снятом боковом фланце и изоляторе. Ступень имеет форму диска с внешним диаметром ~3 м и высотой ~22 см. Полный вес ступени, заполненной трансформаторным маслом, составляет ~2.5 тонны.

Ступень 1 МА LTD испытывалась с низкоиндуктивной резистивной нагрузкой, выполненной в виде кольцевой полости вблизи разреза индуктора, заполненной водным раствором NaCl. В ходе испытаний регистрировались: ток через нагрузку I_L - калиброванным магнитным зондом; активная составляющая напряжения на нагрузке U_L - с помощью выносного резистивного делителя напряжения с входным сопротивлением 75 Ом; ток в контуре сердечника I₁ - калиброванным магнитным зондом. Сопротивление нагрузки рассчитывалось как R_L = U_L/I_L, величина R_L варьировалась в пределах ~0.05-0.2 Ом изменением концентрации NaCl в растворе. Отметим, что в описываемых испытаниях использовалась самая первая ступень типа 1МА LTD, у которой ферромагнитные кольца были намотаны анизотропной электротехнической ленты марки ЭТ3425 толщиной 80 мкм, при этом полное сечение стали в сердечнике равнялось S = 56 см². Вольт-секундный интеграл этого сердечника при пассивном подмагничивании равнялся .

Рис.10. Фотография ступени 1МА LTD в процессе сборки.

Результаты испытаний при зарядном напряжении U_S=100 кВ приведены на рис. 11-14 в виде зависимости амплитуды импульса напряжения на нагрузке, максимальной мощности в нагрузке, длительности фронта импульса мощности на нагрузке, и энергии, выделенной в нагрузке, от величины сопротивления нагрузки R_L.

Рис. 11. Напряжение на нагрузке. Рис. 12. Мощность на нагрузке.

Рис. 13. Время нарастания импульса мощности на нагрузке.

Рис. 14. Энергия E_L, поглощенная в нагрузке.

Точками показаны экспериментальные данные, сплошными кривыми - результаты расчетов в Pspice, описанные ниже. Выходная мощность достигает максимума ~ 96 ГВт при R_L ~ 0.1 Ом, указывая, что данная нагрузка является согласованной для разрядного контура ступени 1МА LTD. Напряжение на такой согласованной нагрузке составляет ~100 кВ (ток ~1 МА), длительность фронта импульса мощности на нагрузке ~ 90 нс.

На рис. 14 энергия, поглощенная в нагрузке, рассчитана по формуле:

, (2)

где, t₀ - момент времени, когда напряжение на нагрузке первый раз обращается в нуль. В согласованном режиме при R_L ~ 0.1 Ом эта энергия достигает максимума E_L ~ 11.4 кДж, что соответствует эффективности передачи энергии из накопителя в нагрузку ~ 71%. При больших R_L энергия E_L уменьшается, причем в эксперименте это падение происходит заметно быстрее, чем в расчете. Результаты испытаний (см. рис. 15-16) позволяют утверждать, что это расхождение происходит из-за насыщения сердечника ступени при больших R_L, которое не учитывалось при расчетах в PSpice.

Рис. 15. Напряжение на нагрузке и ток в контуре сердечника, а также вольт-секундный интеграл от напряжения на нагрузке в выстреле при R_L~ 0.107 Ом.

Рис. 16. Те же осциллограммы, что на рис.15, но при R_L ~ 0.188 Ом. Повышение выходного напряжения при более высоком R_L ведет к росту вольт-секундного интеграла свыше , при этом сердечник насыщается, ток I₁ в контуре сердечника увеличивается, длительность выходного импульса и энергия E_L уменьшаются.

Сплошные кривые на рис. 11-14 дают результаты расчетов выходных характеристик ступени 1MA LTD, выполненных в PSpice для линейного RLC контура, показанного на рис. 17.

Рис. 17. Эквивалентный линейный RLC контур ступеней LTD.

Для ступени 1MA LTD параметры этого контура принимались равными: С = 800 нФ =0.5С_КN, С_К = 40 нФ - емкость конденсатора GA35426, N = 40 - число секций в ступени 1МА LTD; U₀=100 кВ.

R₁=0.0165 Ом=[2R_K + R_SW]/N, R_K = 0.27 Ом - внутреннее сопротивление конденсатора GA35426, R_SW = 0.12 Ом;

L₁ = 6 нГн =L_i/N, L_i = 240 нГн;

R_CORE = 0.65 Ом сопротивление сердечника (среднее между расчетным значением 0.73 Ом и измеренным в эксперименте R_CORE~~ 0.57 Ом, см., например, рис. 15.);

L₂ = 1.05 нГнрасчетная индуктивность нагрузки.

С этими параметрами контур на рис. 17 представляет собой эквивалент сорока секций, включенных параллельно на сопротивление сердечника и нагрузку в предположении, что полная индуктивность секции в составе ступени L_i (включая индуктивность конденсаторов, разрядника и всех токопроводов) и сопротивление разрядника R_SW постоянны и равны:

(3)

Таким образом, при выполнении (3) основные выходные параметры ступени 1 МА LTD можно определить с использованием линейного RLC-контура, показанного на рис. 17. Можно считать, что условия (3) усредненным образом учитывают разброс моментов срабатывания разрядников ступени.

Согласованной нагрузкой для контура на рис. 17 с указанными параметрами для ступени 1МА LTD является R_M = 0.103 Ом. Согласно расчету, при разряде на такую нагрузку потери энергии в течение основного импульса напряжения в сопротивлениях разрядников составляют ~3% от энергии E₀, в сопротивлении конденсаторов ~12.5% от Е₀, в сопротивлении R_CORE = 0.65 Ом ~ 11.5% от E₀. Таким образом, возбуждение вихревых токов в сердечнике ступени 1МА LTD почти удваивает потери энергии, снижая эффективность передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку до ~70%. С целью снижения потери в сердечнике все последующие ступени 1МА LTD изготавливались с сердечниками, намотанными лентой марки ЭТ3425 толщиной 50 мкм, при этом сечение сердечника было увеличено с 56 см² до 64 см². При этом сопротивление R_CORE увеличилось (согласно эксперименту) до 1.5 Ом. Для схемы рис. 17 такое увеличение R_CORE дает повышение эффективности передачи энергии в согласованную нагрузку до ~79%.

Ступени 1МА LTD в количестве 5-ти штук были испытаны в ИСЭ СО РАН в составе модуля, работавшего в режиме ЛИТ, для питания нагрузки в виде вакуумного электронного диода. Одна такая ступень была поставлена в 2007 г. в Мичиганский университет (США), 10 таких ступеней были поставлены в Sandia National Laboratories (Альбукерк, США) летом 2008 г. для проведения испытаний в режиме IVA с водонаполненной выходной линией.

В четвертой главе описана конструкция, исследование и моделирование быстрой ступени LTD (ступень LTD16-8), позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт при токе ~200 кА, нарастающий за время ~40 нс.

Конструкция этой ступени аналогична конструкции ступени 1МА LTD, за исключением того, что она содержит 16 секций вместо сорока, при этом, в качестве накопительных конденсаторов использованы конденсаторы с пониженной емкостью GA35436 (100 кВ, 8.4 нФ, 35 нГн, 0.3 Ом). Для снижения потерь энергии в ступени LTD16-8 сечение ее сердечника было выбрано примерно равным сечению сердечника ступени 1МА LTD, и он изготавливался из ленты толщиной =50 мкм. Поперечный разрез ступени LTD16-8 с указанием основных размеров дан на рис. 18.

Рис. 18. Поперечный разрез ступени LTD16-8.

Ступень LTD16-8 испытывалась как с масляной, так и с газовой изоляцией. Для испытаний с газовой изоляцией стeпень помещалась между двумя эллиптическими крышками, при этом в верхнем и нижнем фланцах индуктора ступени делалось по одному отверстию. При испытаниях с масляной изоляцией эти отверстия служили для заполнения полости ступени трансформаторным маслом, при испытаниях с газовой изоляцией эти отверстия были открыты, так что газ проникал внутрь ступени, однако избыточное давление воздействовало только на эллиптические крышки и их торцевые фланцы. Фотография ступени LTD16-8 в сборе с эллиптическими фланцами показана на рис. 19.

Ступень LTD16-8 испытывалась с резистивной нагрузкой в виде кольцевой полости, заполненной водный раствором KBr, аналогично тому, как это делалось при испытаниях ступени 1МА LTD. Все испытания проводились при пассивном подмагничивании, при этом вольтсекундный интеграл сердечника составлял .

Рис. 19. Ступень LTD16-8 в сборе перед проведением испытаний.

При испытания с газовой изоляцией (смесь воздуха с элегазом) наблюдался ярко выраженный полярный эффект, проявившийся в пробоях вдоль поверхности диэлектрика с положительных электродов разрядника на корпус индуктора. Пробой инициировался высоким электрическим полем в тройной точке металл-диэлектрик-газ на поверхности положительного электрода разрядника, от этих пробоев удалось избавиться, замазав наиболее напряженную зону разрядников пластилином. После этого ступень работала при полном зарядном напряжении 100 кВ в чистом элегазе при давлении 2.5 ата, в смеси 20% SF6+80% воздуха - при давлении 3.9 ата. В чистом сухом воздухе при давлении 6 ата (максимальной давление для данной конструкции эллиптических фланцев) ступень работала при зарядном напряжении 95 кВ, при попытке поднять напряжение до 100 кВ внутри ступени начинались пробои при напряжении ~ 98 ата. При испытании ступени с масляной изоляцией было сделано более 1500 выстрелов из них 95 процентов при полном зарядном напряжении ±100кВ. На рис. 20-23 показаны результаты испытаний ступени при зарядном напряжении 100 кВ. Здесь точками показаны результаты, полученные с масляной изоляцией, треугольниками - результаты, полученные с газовой изоляцией (в чистом элегазе при давлении 3 ата), сплошными кривыми - результаты расчета в Pspice (см. далее). Выходные параметры ступени с маслом несколько выше, чем с газом, указывая на то, что в ступени с газом в момент выстрела все же происходят частичные разряды, приводящие к потерям энергии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 20. Напряжение на нагрузке. Рис. 21. Мощность на нагрузке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 22. Длительность на полувысоте импульса напряжения на нагрузке.

Рис. 23. Энергия, выделенная в нагрузке в течение основного импульса.

Из представленных результатов следует, что выходная мощность ступени LTD16-8 достигает максимума ~19.6 ГВт при R_L ~0.5 Ом, указывая, что данная нагрузка является для нее согласованной. При таком R_L выходное напряжение составляет ~100-105 кВ (ток ~200 кА), длительность импульса напряжения на полувысоте ~71-73 нс. В нагрузку передается ~1000 Дж энергии, что составляет ~75% от накопленной к конденсаторах.

Для моделирования ступени LTD16-8 использовался линейный RLC-контур, показанный на рис. 17, с параметрами:

С = 67.2 нФ =0.5С_КN, С_К = 8.4 нФ - емкость конденсатора GA35436, N=16; U₀=100 кВ.

R₁= 0.045 Ом =[2R_K + R_SW]/N, R_K = 0.3 Ом - сопротивление конденсатора GA35436, R_SW = 0.12 Ом;

L₁ = 15 нГн =L_i/N, L_i = 240 нГн;

R_CORE = 4 Ом сопротивление сердечника (из эксперимента R_CORE~~4 Ом,); L₂ = 1.3 нГн расчетная индуктивность нагрузки

При таких параметрах и при выполнении условий (3) контур на рис. 17 эквивалентен 16-ти секциям, включенным параллельно на сопротивление сердечника и нагрузку. Как видно из рис. 20-23, этот контур с достаточной степенью достоверности воспроизводит экспериментальные данные. Из расчета следует, что в согласованном режиме (R_M=0.52 Ом) за время основного импульса в разрядниках теряется ~1.5% от E₀, в сопротивлении конденсаторов ~7.2% от E₀, в сердечнике ~10.3% от E₀. Таким образом, эффективность ступени LTD16-8 определяется, в основном, потерями в конденсаторах и сердечнике, как и эффективность ступени 1MA LTD.

Отметим, что сердечник ступени LTD16-8 при больших R_L не насыщается, и поэтому расчетная зависимость E_L=f(R_L), показанная на рис. 23, совпадает с полученной экспериментально.

Рис. 24. Наложенные друг на друга осциллограммы пускового напряжения U_П и напряжения на нагрузке U_L, зарегистрированные в 50-ти последовательных выстрелах при неизменных условиях.

На рис. 24 показаны наложенные друг на друга осциллограммы пускового напряжения U_П и напряжения на нагрузке U_L, зарегистрированные в 50-ти последовательных выстрелах при зарядном напряжении 100 кВ, давлении в разрядниках 3.6 ата, R_L ~0.5 Ом. Из этих осциллограмм следует, что абсолютный разброс момента срабатывания ступени не превышает 1.5 нс.

В Заключении подведены итоги проделанной работы, а также указано, что для практического использования технологии LTD необходимо решить все вопросы, связанные с надежностью элементной базы степеней LTD, т.е. конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников.

В Приложении А дано определение согласованной нагрузки RLC-контура R_M как нагрузки, на которой выходная мощность данного контура достигает максимального значения. Приведены значения R_M для некоторых линейных RLC-контуров, представляющих интерес с точки зрения LTD технологии.

В Приложении Б описана диагностика, использованная при испытаниях ступеней LTD в данной работе.

Основные результаты работы

1. Показана возможность построения быстрых ступеней LTD в составе до 40-ка параллельных секций, позволяющих получить в согласованной нагрузке ток ~1 МА, нарастающий за ~100 нс. Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет ~70%. Показана возможность построения еще более быстрых ступеней LTD на конденсаторах с емкостью ~8 нФ, с выходным током ~100 кА, нарастающим в согласованной нагрузке за время ~40 нс (при длительности ~75 нс на полувысоте импульса напряжения). Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет ~75%.

2. Исследована коммутационная характеристика многозазорного искрового разрядника типа Fast LTD. 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 нс.

3. Достигнутый разброс моментов срабатывания разрядников позволяет рассчитывать основные выходные параметры обоих типов ступеней с помощью линейного RLC контура, эквивалентного параллельному включению секций ступени на сопротивление сердечника и нагрузку. Это значительно облегчает проектирование различных LTD-генераторов.

4. Продемонстрирована работа модуля в составе 5-ти ступеней 1МА LTD, работающего в режиме ЛИТ, на нагрузку в виде вакуумного электронного диода.

5. 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.

Публикации по теме диссертации

1. Kim A.A., V.G. Durakov, S.N. Volkov, A.N. Bastrikov, B.M. Kovalchuk, V.A. Sinebryukhov, S.V. Frolov, V.M. Alexeenko, L. Veron, M. Toury, C. Vermare, R. Nicolas, F. Bayol, C. Drouilly. Gas switch performance depending on current in the circuit // Изв. вузов. Физика. - 2006. - №11. Приложение. - С. 297-300

2. 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. 14^th Intern.Conf.High-Power Particle Beams, Albuquerque 2002, pp.81-84.

3. A.A.Kim, A.N. Bastrikov, S.N. Volkov, V.G. Durakov, B.M. Kovalchuk, V.A. Sinebryukhov, J.E.Maenchen, D.L.Johnson, D.V.Rose. Design and first test results of the 1 MV ultra-fast LTD generator // Proc. 4^th Intern. Symp. Pulsed Power and Plasma Applications, Nagaoka, 2003, pp.34-36.

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

5. Kim A.A., A.N. Bastrikov, S.N. Volkov, V.G. Durakov, B.M. Kovalchuk, E.V. Kumpjak, V.A. Sinebryukhov, N.V. Tsou. LTD Technology of Primary Energy Storage // 15th Int. Conf. of High-Power Particle Beams, Saint-Petersburg, 2005, p.205

6. A.A. Kim, V.G. Durakov, S.N. Volkov, etc. Gas switch performance depending on current in the circuit // Proc. 14^th Symp. High Current Electronics, Tomsk 2006, p.297-300.

7. A. Kim, V. Sinebryukhov, B. Kovalchuk, A. Bastrikov, V. Durakov, S. Volkov, S. Frolov, V. Alexeenko, M. Mazarakis, D. McDaniel, C. Olson, K. Struve, R. Gilgenbach. Design and first tests of five 100 GW fast LTD cavities driving an e-beam diode load // Proc. 16^th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 17-22, 2007, p.144-147.

8. A. A. Kim, V. A. Sinebryukhov, B. M. Kovalchuk, A. N. Bastrikov, V. G. Durakov, S. N. Volkov, S. V. Frolov, V. M. Alexeenko, F. Bayol, C. Drouilly, F. Cubaynes, L. Veron, M. Toury, C. Vermare, R. Nicolas. Super Fast 75 ns LTD Stage // Proc. 16^th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 17-22, 2007, p. 148-151.

9. V.A. Sinebryukhov, A.A. Kim, et al. Multi gap switch for fast LTD stages // Proc. Megagauss 2008, Novosibirsk, 2008

10. Michael G. Mazarakis, William E. Fowler, Alexander A. Kim, Vadim A. Sinebryukhov, Sonrisa T. Rogowski, Robin A. Sharpe, Dillon H. McDaniel, Craig L. Olson, John L. Porter, Kenneth W. Struve, William A. Stygar, and Joseph R. Woodworth High current, 0.5-MA, fast, 100-ns, linear transformer driver experiments // Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.12, 050401, 2009

11. A.A. Kim, M.G. Mazarakis, V.A. Sinebryukhov, B.M. Kovalchuk, V.A. Visir, S.N. Volkov, F. Bayol, A.N. Bastrikov, V.G. Durakov, S.V. Frolov, V.M. Alexeenko, D. H. McDaniel, W. E. Fowler, K. LeChien, C. Olson, W.A. Stygar, K. W. Struve, J. Porter, R.M. Gilgenbach. Development and tests of Fast 1-MA linear transformer driver (LTD) stages // Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.12, 050402, 2009.

12. M. G. Mazarakis, S. Cordova, R. G. Gilgenbach D. L. Johnson, A. A. Kim, K. J. LeChien, J. J. Leckbee, F. W. Long, M. K. Matzen, R. G. McKee, J. L. McKenney, B. V. Oliver, J. L. Porter, V. A. Sinebryukhov, W. A. Stygar D. M. VanDevalde, K. Ward, J. W. Weed, J. R. Woodwirth. Linear Transformer Driver (LTD) Development at Sandia National Laboratory // Abstracts 17^th IEEE Pulsed Power Conf., Washington, DC, June 28-July 2, 2009, p. 129.

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

Размещено на Allbest.ru