ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2000 года по МПК H03K3/543 

Изобретение относится к области ускорителей заряженных частиц, а точнее - к генераторам мощных сильноточных импульсов, и наиболее эффективно может быть использовано для получения сильноточных высоковольтных импульсов I ≅ 1,5-2,0 MA, напряжением U ≅ 1-1,5 MB и длительностью импульса τ ≤ 100 нc.
Известен генератор "Гидра" [1], который предназначен для формирования и двух электрических пучков с параметрами: U = 1 MB, I = 0,5 МА и τ = 80 нc. Он состоит их двух самостоятельных одинарных формирующих линий с водяной изоляцией, которые заряжаются до U₃ = 3 MB за время τ_з = 0,9 мкc от общего первичного накопителя - генератора Маркса. С помощью элегазовых коммутаторов заряженные линии коммутируются через обострители на низкоимпедансную нагрузку - вакуумные диоды, которые соединены с обострителями через трансформаторы, позволяющие корректировать параметры импульса. Известно целое семейство подобных генераторов мощных сильноточных импульсов, в которых в качестве формирующего узла используются одинарные формирующие линии.

Недостатком таких конструкций являются относительно большие габаритные размеры первичных накопителей и формирующих линий, необходимые для обеспечения электрической прочности изоляции при высоких напряжениях (U ≈ 1 - 5 MB) и сравнительно больших временах (τ ~ 0,5-1,5 мкc).
Наиболее близким по своему исполнению к предлагаемому решению является ускоритель "Гамма" с параметрами: U = 2,0 MB, I = 135 кА и τ = 35 нc [2]. Это система с индуктивным накопителем энергии, выполненным в виде вакуумной коаксиальной формирующей линии с плазменным прерывателем тока. Первичный накопитель энергии с выходным напряжением U = 700 кВ коммутируется на закороченную плазмой вакуумную коаксиальную линию и развивает в ней ток I ≅ 280 кA за время τ ≅ 1-1,5 мкc. В момент размыкания прерывателя тока, состоящего из восьми инжекторов плазмы, на нагрузке - вакуумном диоде формируется рабочий импульс.

Недостатком подобных технических решений является относительно большая длительность фронта формирующего импульса, так как времена фронтов у коммутаторов (t_ф.к. ≤ 10 нс) и прерывателей (t_ф.пр ≤ 100 нс) отличаются примерно на порядок. При коротких импульсах (τ ≤ 100 нc) это приводит к существенной деформации формы импульса от ожидаемой прямоугольной к колоколообразной и ограничивает минимально возможную величину длительности импульса. Кроме того, отсутствие возможности достаточно точного управления моментом размыкания прерывателя, работающего обычно в самостоятельном режиме размыкания, ограничивает использование данных генераторов для совместной синхронной работы на общую нагрузку.

Предлагаемая конструкция позволяет уменьшить фронт формирующего импульса и получить возможность точного управления началом его формирования.

Указанный технический эффект достигается за счет того, что генератор сильноточных импульсов, содержащий первичный емкостной накопитель и формирующую линию, соединенные между собой через управляемый коммутатор, а также согласованную нагрузку и прерыватель тока, расположенные в конце формирующей линии и включенные параллельно, снабжен дополнительным управляемым стартовым коммутатором, установленным в начале формирующей линии параллельно прерывателю тока и нагрузке.

Для пояснения изобретения ниже приводятся материалы, в которых на фиг. 1а представлена принципиальная схема предлагаемого генератора, на фиг. 1б - даны временные диаграммы напряжения и тока в формирующей линии. На фиг. 2а показаны зависимости напряжения и тока в начале линии в отсутствии коммутации дополнительного управляемого стартового коммутатора и размыкания прерывателя тока. На фиг. 2б упрощенно изображены импульсы мощности прототипа и предлагаемого генератора (заштрихованная область). Конструкция генератора изображена на фиг. 3.

Принципиальная схема предлагаемого генератора показана на фиг. 1а. Здесь L и C - индуктивность и емкость первичного емкостного накопителя 1; P - управляемый коммутатор 2, через который первичный емкостной накопитель соединен с формирующей линией 3; П_р - плазменный прерыватель тока 4, размыканием которого формирующая линия подключается к нагрузке 5. При этом R_н - импеданс нагрузки и Z - волновое сопротивление формирующей линии, согласованные между собой (R_н = Z); P_с - новый по отношению к прототипу элемент - управляемый стартовый коммутатор 6. Длительность формируемого импульса выражается формулой:

где l - длина линии;
ε - диэлектрическая проницаемость среды, используемая в линии;
c - скорость света в вакууме.

На фиг. 1б изображены временные диаграммы напряжения и тока в формирующей линии. Величины U_ϕ, I_ϕ и U_ψ, I_ψ - соответственно падающие и отраженные волны напряжения и тока в формирующей линии. Величины и - повторно отраженные волны напряжения и тока после срабатывания дополнительного управляемого стартового коммутатора в момент времени t_к. Величина t_р - момент времени размыкания прерывателя тока. Длительность импульса определяется двойной длиной формирующей линии, а именно Параметры, характеризующие электрический процесс в начале формирующей линии до момента времени t_к, определяются следующей системой уравнений:

где U₀ и - максимальные значения напряжения и тока ρ и ω - характеристические сопротивление и частота контура до момента времени t_к. Учитывая, что и a также, обозначая систему (1) можно привести к следующему виду:

Решая (2) относительно U_ϕ и U_ψ, получим:

где ϕ = arctgA.
Разница мощностей падающей и отраженной волн в начале формирующей линии до момента времени t_к будет определяться следующей зависимостью:

Подставляя (3) в (4) и выполняя несложные тригонометрические преобразования, получим

Максимальное значение ΔP достигает при ωt_k = 3π/4 и равняется

Знак минус означает, что в данный момент времени энергия, запасенная в формирующей линии, убывает. На фиг. 2а показаны зависимости напряжения и тока в начале линии в отсутствии коммутации дополнительного управляемого стартового коммутатора и размыкания прерывателя тока. Пунктирными линиями условно показан временной интервал τ, где ожидается формирование импульса. На фиг. 2б упрощенно изображены импульсы мощности прототипа и предлагаемого генератора (заштрихованная область). Пунктиром показан идеальный прямоугольный импульс. Видно, что энергетически импульс предлагаемого генератора с точностью, допущенной при упрощении, равен импульсу прототипа и отличается только формой. Здесь и - соответствующие фронты импульса прототипа и предлагаемого генератора.

Повышение точности управления началом импульса обеспечивается стимулированием размыкания прерывателя тока в линии в момент времени t_р "броском" тока, величина которого определяется выражением:

Воспользовавшись зависимостями (4) получим:

Для момента времени t_k = 3π/4 "бросок" тока будет равен:

Малые фронты импульса и дополнительное стимулирование процесса размыкания прерывателя тока и позволяют достичь поставленную цель.

Сам генератор мощных сильноточных импульсов (фиг. 3) состоит из цилиндрического металлического корпуса 7, который, с одной стороны, закрыт круглым днищем 8, на котором размещен первичный накопитель 1, а, с другой стороны, имеет конусообразную форму и заканчивается круглой заглушкой - анодом 9. Внутри корпуса расположен цилиндрический электрод 10, который в комплексе с корпусом 7 образует формирующую линию 3. Цилиндрический электрод 10, с одной стороны, соединен с первичным накопителем 1 посредством управляемого коммутатора 2, а, с другой стороны, заканчивается конусом, на котором крепится цилиндрический катод 11. Катод 11 и анод 9 образуют нагрузку - вакуумный диод 5, объем которого, заключенный между конусами корпуса 7 и цилиндрического электрода 10, отделен от среды формирующей линии вакуумным опорным дисковым изолятором 12. Среда первичного накопителя отделена от среды формирующей линии кольцевой конструкцией дополнительного управляемого стартового коммутатора 6. В конической части корпуса 7 расположены несколько плазменных пушек, которые и образуют плазменный прерыватель тока 4. Источник питания плазменных пушек, плазменного прерывателя тока 4 системы управления коммутаторами 2 и 6, а также система зарядки первичного емкостного накопителя 1 не показаны.

Генератор работает следующим образом. Первичный емкостной накопитель 1 через управляющий коммутатор 2 разряжается на формирующую линию 3, предварительно закороченную плазмой, инжектируемой плазменными пушками плазменного прерывателя тока 4. В момент времени t_k происходит коммутация дополнительного стартового коммутатора 6. В формирующей линии формируется "бросок" тока, который стимулирует размыкание плазменного прерывателя тока 4. В результате на нагрузке, которой является вакуумный диод 5, состоящий из катода 11 и анода 9, формируется рабочий импульс, упрощенная форма которого изображена на фиг. 2б.

Предложенная конструкция может быть использована как модуль комплексной системы для инерционного способа получения управляемого термоядерного синтеза.

Источники информации
1. Thomas Н. Martin. The Hydra electron beam generator. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1973, NS-20, N 3, p. 289-293.

2. Ускоритель "Гамма" СОАН СССР, Препринт N 13, Томск, 1985.

Генератор предназначен для использования в импульсной технике и может найти применение как модуль комплексной системы для инерционного способа получения управляемого термоядерного синтеза. Генератор содержит первичный емкостный накопитель и формирующую линию, соединенные между собой через управляемый коммутатор, а также согласованную с формирующей линией нагрузку, прерыватель тока, расположенные в конце формирующей линии и включенные параллельно, снабжен дополнительным управляющим стартовым коммутатором, установленным в начале формирующей линии параллельно прерывателю тока и нагрузке. Изобретение позволяет уменьшить фронт формирующего импульса и получить возможность точного управления началом его формирования. 3 ил.

Генератор мощных сильноточных импульсов, содержащий первичный емкостный накопитель и формирующую линию, соединенные между собой через управляемый коммутатор, а также согласованную с формирующей линией нагрузку и прерыватель тока, расположенные в конце формирующей линии и включенные параллельно, отличающийся тем, что генератор снабжен дополнительным управляющим стартовым коммутатором, установленным в начале формирующей линии параллельно прерывателю тока и нагрузке.