ИНДУКТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2001 года по МПК H05H1/00 H05H1/34 

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высокоэнергетичных электромагнитных импульсов, рентгеновского излучения, СВЧ-излучения и т.д.

Известен индуктивный генератор (ИГ) [R.A. Meger, R.J. Commisso, G. Cooperstein, and Shyke A. Goldstein. Appl. Phys. Lett. 1984, vol. 42, p. 943], содержащий последовательно соединенные первичный источник энергии, линию передачи тока, индуктивный накопитель (ИН), один из электродов которого - внешний, а другой - внутренний, плазменный прерыватель тока (ППТ) с источниками плазмы для закорачивания межэлектродного промежутка плазменного прерывателя тока, а также подключенную непосредственно или через линию передачи энергии параллельно плазменному прерывателю тока нагрузку. В этом генераторе индуктивный накопитель, узел плазменного прерывателя тока и линия передачи энергии конструктивно представляют собой последовательно состыкованную коаксиальную вакуумную линию (назовем такую схему линейным расположением узлов ИГ). Недостатком такой схемы является внесение плазмы в область нагрузки, сопровождающей прерывание тока, ограничивающей генерируемое напряжение из-за шунтирующих свойств плазмы. Другим недостатком линейной схемы является необходимость расстыковки индуктивного накопителя и линии передачи энергии к нагрузке при замене плазменного прерывателя тока. В генераторах с энергозапасом в десятки килоджоулей и более эти узлы являются крупногабаритными, и разборка системы трудоемка и нежелательна.

Известен индуктивный генератор [Абдуллин Э.Н., Баженов Г.П., Бастриков А. Н. , Бугаев С.П., Ким А.А., Ковальчук Б.М., Кокшенев В.А., Родионов Н.Е. Исследование прерывателя тока на основе микросекундного плазмонаполненного диода. Изв. вузов MB и ССО СССР, Физика, 1988, N 4, стр. 112-113], в котором плазменный прерыватель тока и нагрузка (взрывоэмиссионный диод) совмещены конструктивно (схема плазмонаполненного диода). Эта схема позволяет исключить потери в токе (как правило, незначительные) из-за введения дополнительной индуктивности линии передачи энергии между прерывателем тока и нагрузкой, не участвующей в накоплении тока. Недостатками этой схемы является неизбежное взаимовлияние процессов в ППТ и нагрузке и проблемы, связанные с размещением в одном узле источников плазмы и диода.

Наиболее близким к предлагаемому индуктивному генератору является ИГ [Дубинов А. Е. , Жданов B.C., Корнилов В.Г. Нижегородцев Ю.Б, Селемир В.Д., Челпанов В.И. "Плазменный прерыватель тока", патент РФ N 2123243, МПК Н 05 Н 1/00, опубл. в БИ N 34, 1998 г.], выбранный за прототип. Он содержит последовательно соединенные первичный источник энергии, линию передачи тока, индуктивный накопитель энергии с внешним и внутренним электродами и по меньшей мере один плазменный прерыватель тока с плазмообразующей системой, а также нагрузку, подключенную параллельно ему через линию передачи энергии. В этом индуктивном генераторе плазменный токовый канал вынесен в полость, образуемую цилиндрическими поверхностями внешнего электрода, коаксиального ИН, дополнительного электрода, охватывающего последний, а также кольцевыми поверхностями дополнительного электрода, электрически соединяющего внутренний электрод ИН с дополнительным цилиндрическим электродом, и изолятора между последним и внешним электродом ИН. В этой системе силы, действующие на ППТ, вынуждают перемещаться его по направлению к источнику тока от нагрузки снаружи по поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя. Недостатком схемы является жесткая зависимость выходных характеристик индуктивного генератора от размеров внешнего электрода ИН и условие обеспечения вакуума в ИН. Другим недостатком этого решения является "привязанность" конструктивная ИГ к коаксиальной геометрии индуктивного накопителя, в рамках последней затруднительно суммировать напряжения отдельных индуктивных накопителей.

Технической задачей предлагаемого решения является создание семейства генераторов электромагнитных импульсов на основе индуктивных накопителей с плазменными прерывателями тока (индуктивных генераторов).

Технический результат заключается в расширении возможностей схемотехнических решений по компоновке узлов генератора, а также обеспечение удобства эксплуатации, заключающиеся в простоте смены узлов ПТТ.

Технический результат достигается тем, что в отличие от прототипа, содержащего последовательно соединенные первичный источник энергии, линию передачи тока, индуктивный накопитель энергии с внешним и внутренним электродами и по меньшей мере один плазменный прерыватель тока с плазмообразующей системой, а также нагрузку, подключенную параллельно ему через линию передачи энергии, новым является то, что плазменный прерыватель тока расположен на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя и содержит вакууммируемый корпус, являющийся внешним электродом прерывателя, и внутренний электрод, соединенные соответственно с внешним и внутренним электродами индуктивного накопителя. В вариантах такого индуктивного генератора нагрузка может быть установлена на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя перед плазменным прерывателем тока, или плазменный прерыватель и нагрузка установлены на внешнем электроде индуктивного накопителя таким образом, что их оси симметрии расположены в одной плоскости. В следующем варианте индуктивного генератора во внешнем электроде индуктивного накопителя установлены проходной изолятор между индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока, проходной изолятор между индуктивным накопителем и нагрузкой, а межэлектродная полость индуктивного накопителя заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью больше 1.

Вынесение плазменного прерывателя тока в самостоятельный узел обеспечивает независимость выходных характеристик ИГ от размеров ИН при сохранении исключения выноса плазмы в область нагрузки; обеспечивает возможность оперативной смены плазменных прерывателей тока без расстыковки индуктивного накопителя с линией передачи энергии к нагрузке, возможности выбора конструкции, геометрических размеров узла ППТ, размещения плазменных источников, независимого от выбранной конфигурации индуктивного накопителя и нагрузки. Количество узлов плазменного прерывателя тока, параллельно подключаемых к выходу ИН, устанавливаемых (или используемых) на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя, может меняться в зависимости от конкретной задачи. Изменение количества узлов ППТ дает возможность оптимизировать токовую нагрузку на узел ППТ, оптимизируя выходные характеристики ИГ для конкретной задачи. Вынесение ППТ из общей конструкции ИГ в самостоятельный узел позволяет оперативно менять как узел ППТ целиком, так и его элементы, например внутренний электрод ППТ, изменяя межэлектродный промежуток, длину и конфигурацию как плазменного токового канала в фазе увеличения тока (фаза накопления), так и дрейфового пространства в фазе уменьшения тока (фаза "открытия" ключа ИГ или фаза разрыва тока). Размещение узлов ППТ с различной конфигурацией элементов на корпусе (внешнем электроде) ИН расширяет режимные возможности ИГ, поскольку появляется возможность менять геометрию ППТ без перекомпоновки установки, используя часть узлов. Очевидно сохранение возможности исключения выноса плазмы по направлению к нагрузке, поскольку область дрейфа плазмы и линия передачи энергии к нагрузке разнесены пространственно. Исключение выноса плазмы в область нагрузки сохраняется при реализации различных вариантов плазменного прерывателя тока. 1. Плазмой перекорачивается межэлектродный промежуток в цилиндрической части коаксиального ППТ. 2. Плазмой перекорачивается торцевая часть коаксиального ППТ (аналог плазмонаполненного диода). 3. Первоначально плазмой перекорачивается цилиндрическая часть коаксиального ППТ, затем в процессе работы ИГ плазма выносится в торцевую область, где происходит заключительная фаза разрыва токового канала. Плазменный прерыватель тока может быть двухкаскадным: первый каскад выполняется в варианте ППТ 1, а второй - в варианте 1 или 2.

Индуктивный накопитель может представлять собой (как в аналогах и прототипе) коаксиальную линию. Однако размещение ППТ в самостоятельном узле дает новую возможность, сохраняя коаксиальную геометрию ППТ, использовать ИН в виде радиальной линии, когда внешним электродом ИН является торообразный корпус, а внутренним - диск.

В следующем варианте индуктивного генератора новым является то, что плазменный прерыватель и нагрузка устанавливаются на внешнем электроде индуктивного накопителя таким образом, что их оси симметрии расположены в одной плоскости.

В двух последних вариантах индуктивного генератора необходимо, чтобы нагрузка, если она представляет собой вакуумный диод, электронный ускоритель или т.п., устанавливалась на внешнем электроде индуктивного ускорителя через патрубок достаточной длины для предотвращения влияния азимутального магнитного поля индуктивного накопителя на протекание тока в нагрузке. Условие "достаточной длины" практически означает, что длина патрубка должна по крайней мере вдвое превышать диаметр отверстия, через которое производится соединение внутреннего электрода индуктивного накопителя с нагрузкой. Оптимальная длина патрубка определяется в соответствии с требованиями, предъявляемыми к работе конкретной нагрузки.

Использование энергоемких источников энергии (первичного совместно со вторичным - индуктивным накопителем) предоставляет возможность синхронной запитки нескольких нагрузок, которые могут устанавливаться описанным выше способом на внешнем электроде индуктивного накопителя (его корпусе) после плазменного прерывателя тока (как в прототипе), перед ним (п. 2 настоящей формулы изобретения), или в одном ряду с ним (п. 3 формулы изобретения). Прерыватель тока может состоять из одного сильноточного узла, устанавливаемого на торцевой или боковой частях внешнего электрода ИН на его наружной поверхности. При необходимости уменьшения токовой нагрузки в ППТ предпочтительнее устанавливать узлы прерывателя на боковой поверхности индуктивного накопителя.

Технический результат по обеспечению дополнительной возможности формирования выходного импульса, связанной с увеличением электрической длины индуктивного накопителя при заполнении его веществом с диэлектрической постоянной большой величины, достигается тем, что по сравнению с прототипом новым является то, что во внешнем электроде индуктивного накопителя установлены проходной изолятор между ИН и плазменным прерывателем тока, проходной изолятор между индуктивным накопителем и нагрузкой, а межэлектродная полость индуктивного накопителя заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε больше 1. Целесообразность этого решения связана с тем, что в фазе накопления энергии в индуктивном накопителе последний представляет собой сосредоточенную индуктивность; при этом диэлектрик в межэлектродной полости играет пассивную роль. При условии, что время открывания ключа ППТ (т.е. время, за которое сопротивление ППТ становится большим импеданса нагрузки) меньше времени пробега электромагнитной волны по индуктивному накопителю, последний становится линией с распределенными параметрами. Формирующие свойства линии с распределенными параметрами позволяют выравнивать выделяемую в нагрузке мощность, увеличивая среднюю за импульс эффективность преобразования энергии, запасенной в индуктивном накопителе. Скорость пробега электромагнитной волны по линии, как известно, обратно пропорциональна длительность формируемого импульса при заданной длине линии. Для увеличения длительности импульса желательно использовать диэлектрики с большой величиной ε, такие как глицерин, деионизованная вода, сегнетоэлектрики. В то же время использование ППТ и многих типов нагрузок рассматриваемой области техники требует их предварительного вакууммирования. Установка самостоятельных узлов, вынесенных из области индуктивного накопителя совместно с проходным изолятором между индуктивным накопителем и соответственно узлами ППТ и нагрузки разрешает техническую задачу использования рассматриваемого способа формирования электромагнитного импульса с использованием плазменного прерывателя тока с исключением выноса плазмы на изолятор.

Примеры конструктивного исполнения представлены на фигурах.

На фиг. 1 изображен индуктивный генератор с коаксиальным индуктивным накопителем, с проходными изоляторами между индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока, а также между индуктивным накопителем и нагрузкой.

На фиг. 2 изображен индуктивный генератор с коаксиальным индуктивным накопителем, плазменным прерывателем тока, расположенным в торцевой части индуктивного накопителя и нагрузкой, установленной перед плазменным прерывателем тока.

На фиг. 3 изображен индуктивный генератор с коаксиальным индуктивным накопителем и с двумя рядами узлов нагрузки и плазменного прерывателя тока.

На фиг. 4 изображен индуктивный генератор с коаксиальным индуктивным накопителем; оси симметрии нагрузки и плазменного прерывателя тока расположены в одной плоскости.

На фиг. 5 изображен индуктивный генератор с торообразным индуктивным накопителем (радиальная формирующая линия).

На фиг. 6 изображен индуктивный генератор с торообразным индуктивным накопителем; оси симметрии нагрузки и плазменного прерывателя тока расположены в одной плоскости.

Предлагаемый индуктивный генератор содержит (фиг. 1-6) первичный источник энергии 1, линию передачи тока 2, индуктивный накопитель энергии с внешним 3 и внутренним 4 электродами, плазменный прерыватель тока 5, содержащий корпус, являющийся внешним электродом 7, и внутренний электрод 8, плазмообразующую систему 6, генерирующую плазму плазменного токового канала в межэлектродном промежутке прерывателя тока, линию передачи энергии в нагрузку 10, нагрузку 12 (условно изображенную в виде резистора). В индуктивном генераторе могут быть установлены проходные изоляторы между индуктивным накопителем и ППТ 11 и между индуктивным накопителем и нагрузкой 13. (Проходной изолятор на входе в индуктивный накопитель между ним и линией 2 не является предметом изобретения, необходимость установки его очевидна, поэтому он не изображен на фигурах.) Проходные изоляторы 11 и 13 позволяют заполнить межэлектродное пространство индуктивного накопителя средой с большой диэлектрической проницаемостью, одновременно вакууммируя плазменный прерыватель тока и нагрузку. В линии передачи энергии в нагрузку может быть установлен обостряющий разрядник 14 (фиг. 5 и 6). На фигурах 5 и 6 изображен индуктивный генератор с торообразным индуктивным накопителем (радиальная линия). Полость 10, образуемая корпусом и внутренним электродом со стороны нагрузки, служит передающей линией (или является ее частью), как на фиг. 5, или является буферной при установке нагрузки на цилиндрическую поверхность индуктивного накопителя, на которой установлен плазменный прерыватель тока, как на фиг. 6.

В примере конкретного выполнения первичным источником энергии может служить емкостный накопитель энергии: конденсаторная батарея или импульсный генератор, собранный, например, по схеме Маркса. Другим типом первичного источника энергии может быть взрывомагнитный генератор (см. [Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972, с.256].

Линия, передающая ток от первичного источника к индуктивному накопителю, может представлять собой кабельную линию или, например, коаксиальную линию, заполненную жидким или газообразным диэлектриком.

Вакуумные коаксиальные накопители широко применяются в рассматриваемой области техники. Использование торообразных индуктивных накопителей совместно с плазменными прерывателями тока не известно авторам настоящей заявки. Однако торообразные радиальные формирующие линии в режиме емкостных накопителей, коммутируемых газонаполненными разрядниками, широко используются в линейных индукционных ускорителях (ЛИУ) электронов [А. И. Павловский и др. Безжелезные линейные индукционные ускорители. Атомная энергия. 1974, т.37, в. 3, стр.228].

Плазмообразующая система плазменного прерывателя тока может представлять собой систему взрывающихся в вакууме проволочек или металлической фольги на диэлектрической подложке. Однако широко распространены и более сложные системы. Это могут быть многоэлементные системы на основе сильноточного вакуумного пробоя по диэлектрику с питанием от генераторов импульсных токов. Используются также и газопламенные инжекторы, устанавливаемые на корпусе плазменного прерывателя тока [П.С. Ананьин, В.Б. Карпов, Я.Е. Красик, и др. Исследование плазменных прерывателей тока с импульсными газовыми пушками. ЖТФ. 1991, т. 61, в. 8, с. 84-90]. Эти системы основаны на сильноточном газовом разряде и требуют дополнительной системы для импульсного напуска газа в межэлектродное пространство инжектора. Естественно, как предыдущие системы они включают в себя и источник питания газового разряда, как правило, конденсаторную батарею.

Нагрузками индуктивного генератора могут быть, например, вакуумные диоды электронных или ионных ускорителей, используемых, например, для генерации рентгеновского излучения, модификации материалов, генерации СВЧ-излучения и т.п. Эти устройства широко освещены в литературе.

При использовании плазмообразующих систем на основе пробоя по поверхности диэлектрика или газоплазменных инжекторов работа устройства начинается с включения этих систем для заполнения межэлектродного промежутка плазменного прерывателя тока плазменной перемычкой. Вслед за этим включается первичный источник энергии 1. Генерируемый им ток проходит по передающей линии 2, электродам индуктивного накопителя, электродам плазменного прерывателя тока и плазменному токовому каналу, шунтирующему нагрузку в фазе накопления энергии во вторичном (индуктивном) накопителе. На этой фазе ток в генераторе нарастает в течение времени T_s, определяемого емкостью первичного (емкостного) накопителя и суммарной индуктивностью первичного накопителя, передающей ток линией индуктивного накопителя и плазменного прерывателя тока. При использовании взрывомагнитного генератора длительность T_s определяется конструктивными, электротехническими и взрывотехническими свойствами последнего. При использовании плазмообразующей системы на основе взрыва проводников в вакууме ток протекает первоначально по металлической перемычке, а после ее взрыва - по образованному плазменному токовому каналу.

Фаза накопления тока заканчивается при достижении током критического уровня, определяемого геометрией и плазменными параметрами прерывателя тока. На следующей фазе резкого роста сопротивления плазменного токового канала (фаза разрыва тока или "открывающая" фаза) генерируется ЭДС самоиндукции, на выходе индуктивного накопителя в месте присоединения к нему линии передачи энергии к нагрузке возникает высоковольтное напряжение, генерируемый электромагнитный импульс передается в нагрузку.

При использовании индуктивного накопителя с электрической длиной короче или порядка времени разрыва токового контура в ППТ генератор работает следующим образом.

В процессе установления тока I₀ накопитель представляет собой сосредоточенную индуктивность, т. к. время накопления тока значительно превышает электрическую длину линии. В момент времени t = T₀ срабатывает прерыватель тока, контур индуктивного накопителя разрывается и на выходном конце параллельно прерывателю тока в направлении нагрузки начинает распространяться электромагнитная волна. Накопитель начинает работать на нагрузку как короткозамкнутая формирующая линия с током I₀, подключенная к нагрузке R_н (внутреннее сопротивление источника тока мало). При этом ток, передаваемый в нагрузку, равен , где: ρ - волновое сопротивление линии; R_н - сопротивление нагрузки.

Напряжение на нагрузке равно:
При согласовании линии с нагрузкой энергия, запасенная в линии, вся передается в нагрузку. (Условие согласования (ρ = R_н), тогда ток в нагрузке , напряжение на нагрузке • R_н. Длительность импульса будет определяться временем двойного пробега волны по линии.

Таким образом, с помощью заявляемого изобретения достигается требуемый технический результат. Задача достигается путем вынесения плазменного прерывателя тока в самостоятельный узел, внешний по отношению к индуктивному накопителю и устанавливаемый на его корпусе (он же - внешний электрод). Область дрейфа плазмы и линия передачи энергии в нагрузку разнесены пространственно. Установка на индуктивном накопителе самостоятельных узлов плазменного прерывателя тока и линий передачи энергии в нагрузку предоставляет дополнительные возможности по компоновке узлов в генераторе и дополнительные удобства при его эксплуатации, поскольку существенно улучшается доступ к отдельным узлам.

Установка проходных изоляторов для разделения внутренних объемов индуктивного накопителя, плазменного прерывателя тока и нагрузки позволяет реализовать возможности по формированию генерируемого электромагнитного импульса при заполнении межэлектродного объема индуктивного накопителя диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью.

Установка плазменного прерывателя тока на наружной поверхности индуктивного накопителя в виде радиальной линии дает дополнительные возможности суммирования выходного напряжения индуктивных генераторов по типу ускорителей ЛИУ. Эта компоновка, не имеющая аналогов, может рассматриваться в качестве концептуального элемента в проектах создания мощных генераторов электромагнитного импульса на основе индуктивных генераторов.

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высокоэнергетических электромагнитных импульсов, рентгеновского излучения, СВЧ-излучения и т. д. Технической задачей предлагаемого решения является создание семейства генераторов электромагнитных импульсов на основе индуктивных накопителей с плазменными прерывателями тока (ППТ). Технический результат заключается в расширении возможностей схемотехнических решений по компоновке узлов генератора, а также обеспечение удобства в эксплуатации, заключающиеся в простоте смены узлов ППТ. Технический результат достигается тем, что в отличие от известного индуктивного генератора, содержащего последовательно соединенные первичный источник энергии, линию передачи тока, индуктивный накопитель энергии с внешним и внутренним электродами и по меньшей мере один плазменный прерыватель тока с плазмообразующей системой, а также нагрузку, подключенную параллельно ему через линию передачи энергии, новым является то, что плазменный прерыватель тока представляет собой самостоятельный узел, который расположен на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя и содержит вакуумируемый корпус, являющийся внешним электродом прерывателя, и внутренний электрод, соединенные соответственно с внешним и внутренним электродами индуктивного накопителя. Описаны варианты этого основного решения. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Индуктивный генератор, содержащий последовательно соединенные первичный источник энергии, линию передачи тока, индуктивный накопитель энергии с внешним и внутренним электродами и по меньшей мере один плазменный прерыватель тока с плазмообразующей системой, а также нагрузку, подключенную параллельно ему через линию передачи энергии, отличающийся тем, что плазменный прерыватель тока расположен на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя и содержит вакуумируемый корпус, являющийся внешним электродом прерывателя, и внутренний электрод, соединенные соответственно с внешним и внутренним электродами индуктивного накопителя. 2. Индуктивный генератор по п.1, отличающийся тем, что нагрузка установлена на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя перед плазменным прерывателем тока. 3. Индуктивный генератор по п.1, отличающийся тем, что плазменный прерыватель и нагрузка установлены на внешнем электроде индуктивного накопителя таким образом, что их оси симметрии расположены в одной плоскости. 4. Индуктивный генератор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что во внешнем электроде индуктивного накопителя установлены проходной изолятор между индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока, проходной изолятор между индуктивным накопителем и нагрузкой, а межэлектродная полость индуктивного накопителя заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью больше 1.