Формирователь импульса тока Советский патент 1992 года по МПК H01H39/00 

сл С

Использование: область электротехники, в частности, формирователи импульса тока на основе электрически взрывающихся проводников от магнитокумулятивных генераторов. Сущность изобретения: формирователь тока содержит электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения тока и нагрузки. Новым является электрически взрываемый проводник, выполненный по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов, включенных между собой параллельно и изолированных один от другого, причем сопротивление каждого предыдущего проводника на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от внешнего проводящего элемента к внутреннему. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электровзрывным формирователям и переключателям, и может использоваться для формирования импульса тока амплитудой 107-108 А за время с в нагрузке (сильноточном ускорителе электронов, плазменном фокусе, магнитоплаз- менном компрессоре).

Известен формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения источника тока и нагрузки. Электрически взрываемый проводник (ЭВП) покрыт невоспламеняющейся силиконовой смазкой. При взрыве ЭВП напряжение передается на нагрузку, в которой формируется короткий импульс тока.

Малая мощность импульса, формируемого в нагрузке известным формирователем импульса тока (ФИТ), обусловлена его большой инерционностью из-за большой

погонной индуктивности формирователя, вследствие его малого поперечного сечения и относительно малого сопротивления так, что постоянная времени т L/R разряда тока в нагрузке велика (), где L L3Bn+LH суммарная индуктивность ЭВП и нагрузки, R - сопротивление формирователя. Малое поперечное сечение ЭВП ограничивает амплитуду тока и, следовательно, энергию и мощность импульса, формируемого в нагрузке. Сокращение времени вывода энергии источника тока в нагрузку ограничено также тем, что формирователь выполнен в виде одного, единого проводника, вся масса которого взрывается сходу, неуправляемо, а на поцесс формирования импульса тока оказывают сильное влияние электрические характеристики источника тока и нагрузки. Как известно в (Эком однократном, односту- пенном формирователе в оптимальном случае (когда равны индуктивности

сл о ю

О

|О

накопителя и нагрузки) в последнюю выводится лишь 25% энергии. Ограничения на выводимую энергию и на сокращение вре мени вывода ее в нагрузку приводят к огра- ничениям на мощность импульса формируемого в нагрузке.

Наиболее близким к заявляемому является формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения источника тока и нагрузки. ЭВП выполнен в виде набора проволочек, навитых в виде спирали на диэлектрических нитях, укрепленных между электродами.

Недостатком известного формирователя является малая мощность формируемого в нагрузке импульса электрической энергии. Первоначально весь ток источника питания протекает через ЭВП, начинается его разогрев джоулевым теплом и к моменту, когда тепловая энергия в проводнике превышает энергию его сублимации, проводник взрывается, вызывая этим появление на выводе импульса высокого напряжения с очень большой амплитудой. Амплитуда этого импульса должна быть очень большой (сотни киловольт), чтобы обеспечить быструю () передачу энергии в нагрузку и сформировать в ней импульс тока большой (10 -108 А) амплитуды и высокой (1012 Вт) мощности. Напряжение зависит от многих параметров, а именно: геометрии (сечения и длины) проводника его материала (удельного сопротивления (р) и зависимости/ от температуры), индуктивности и сопротивления источника тока, ЭВП и нагрузки, амплитуды тока и его производной по времени. Кроме того, напряжение зависит от среды окружающей ЭВМ. В частности, взрыв проводника в воздухе сопровождается появлением плазмы за фронтом ударной волны и возникновением электрической дуги. Постоянная времени гимпульса тока в нагрузке в известном формирователе велика из-за большой индуктивности и малого сопротивления электрической дуги вследствие того, что ЭВП навиты в виде спирали. Кроме того, в нагрузку передается не более 25% энергии источника, так как используется лишь одна ступень обострения (все проводники взрываются практически одновременно, так как они выполнены из одного металла и по ним протекает одинаковый ток за одно и то же время).

Целью изобретения является увеличение мощности электрического ммпупьса в нагрузке.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном формирователе импульса тока, содержащем электрически взрываемый проводник ввод для подключения источника тока и вывод для подключения нагрузки новым является то, что

электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов, включенных параллельно между собой и изолированных друг от друга, при0 чем сопротивление каждого предыдущего проводящего элемента на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу. Выполнение ЭВП по меньшей мере из двух

5 отдельных проводящих элементов обеспечивает повышение мощности по следующим причинам. Во-первых, сопротивление и масса первого (со стороны ввода для источника тока) проводника легко согласуется с пара0 метрами источника тока путем подбора соответствующего материала проводника,его длины и площади (п-1 -г,) поперечного сечения, а индуктивность коаксиальной полости между первым и вторым ЭВП выпол5 няется оптимальной подбором I, r и толщины изоляции между проводниками. Сопротивление и масса последнего (со стороны выводы для нагрузки) проводника согласуется с параметрами нагрузки путем

0 подбора соответствующего металла, его длины и поперечного сечения, а индуктивность коаксиальной полости между предпоследним и последним ЭВП выполняется оптимальной путем варьирования ее диа5 метра и длины, а также зазора между цилиндрами. Очевидно, что нельзя согласовать одним ЭВП выходные параметры самых различных источников тока, используемых в технической физике, с параметрами той или

0 иной нагрузки Поэтому в известном ФИТ, из-за рассогласованности параметров источника тока, ЭВП и нагрузки, мощность формируемого импульса в нагрузке мала или для согласования и повышения мощно5 сти для ЭВП необходим материал, которого не существует в природе.

Для иллюстрации влияния начальных параметров источника рассмотрим ФИТ с источником сверхсильного (10 А) импульса

0 тока большой ( 10 с) длительности. Для предотвращения электродинамического разрыва ЭВП в процессе разряда источников инерционная масса проводника должна быть велика и, следовательно, велики тол5 щина и время взрыва. В результате большой длительности импульса тока в нагрузке мала его мощность. Выполнение ЭВП из двух или нескольких проводников той же суммарной массы, обеспечивает не одновременный, а последовательный электрический

взрыв проводников с постепенным сокращением длительности взрыва, увеличением амплитуды тока, напряжения и мощности от предыдущей к последующей ступеням обострения и в нагрузке. Для известного ФИТ из параллельно соединенных источника тока, одного ЭВП и нагрузки имеем /2, где Е0 - магнитная энергия, запасенная в разрядной индуктивности Lp, I0 - амплитуда тока источника. Если поло- жить, что за время At ЭВП взрывается и размыкает цепь, в которой сосредоточена магнитная энергия, а цепь нагрузки замыкается вслед за этим, то в согласии с законами сохранения энергии и магнитного потока, имеем

(Н A)2, (UA)2.

Е,(ИА).

где Ер - энергия, оставшаяся в цепи разряда;

Ей - энергия, переданная в нагрузку; ЕЭВП - энергия, выделенная в ЭВП.

Коэффициент передачи энергии в нагрузку / Ен/Ео А/(1 f А) имеет максимум, равный 25%, когда (). Качественно малая мощность импульса в нагрузке в известном ФИТследует из того, что начальная плотность магнитного потока (т.е по суще- .ству начальная энергия магнитного поля Е0 Ф02/21-р, где -начальный магнитный поток) после разрыва цепи разряда уменьшается, так как поток, сосредоточен- ный вначале лишь в Lp, распределяется затем и в LH, сравнимом с Lp. В результате 50% энергии распределяется поровну (в оптимальном случае между нагрузкой и формирователем, а остальные 50% энергии теряется в ЭВП. Прим выполнении ЭВП по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводников, включенных параллельно между собой и изолированных диэлектриком друг от друга, энергия маг- нитного поля в процессе разряда источника тока запасается не только в индуктивности Lp, но и в коаксиальных полостях между проводниками; не замкнута лишь цепь нагрузки. Вначале все токи циркулируют в каждом проводнике, а в нагрузке формируется импульс при электрическом взрыве последнего в направлении от ввода к выводу проводника. Как в том, так и в другом случае мощность формируемого импульса в на- грузке возрастает по сравнению с односту- пенным, однократным обострением вследствие большей эффективности передачи энергии из-за лучшего согласования

цепи питания и нагрузки. Эффективность (КПД) передачи энергии в нагрузку определяется в этом случае выражением А/(1 +А). Оптимальное распределение плотности тока связывается с оптимальным распределением индуктивности полостей формирователя. При одинаковых значениях индуктивностей полостей между цилиндрическими коаксиальными проводниками и можно достигнуть 60% эффективности передачи энергии в нагрузку, Во-вторых, если сопротивление каждого предыдущего проводника выполнить на порядок меньше, а массу на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, то мощность формируемого импульса в нагрузке заметно увеличится, так как ЭВП, на который подан сформированный от предыдущего ЭВП короткий высоковольтный импульс, формирует еще более короткий и высоковольтный импульс напряжения на проводнике, сопротивление которого на порядок больше предыдущего. Коэффициент усиления мощности по передаче мэгнит- ной энергии от секции к секции при отношении индуктивностей между секциями 1 определяется соотношением K -PH/NP3Bn. где Рн - мощность импульса в нагрузке, Рэвп - мощность, выделяемая в ЭВП. N - число электровзрывных проводников В сравнении с прототипом заявляемый объект отличается тем, что вместо проводников в виде набора проволочек, навитых спиралью на диэлектрических нитях, укрепленных между электродами и имеющих относительно малую площадь токонесущей поверхности, ЭВП выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводников, включенных параллельно между собой и изолированных друг от друга.о Новым является коаксиальная цилиндрическая геометрия ЭВП и то, что материал одного из проводников, может отличаться от материала других проводников, например, один проводник выполнен из медной фольги, другой - из титановой фольги, третий - из железной фольги, четвертый - из напыленного на диэлектрическую подложку тонкого алюминиевого слоя и т.д., а согласующие индуктивности выполнены в виде заполненных диэлектриком коаксиальных полостей между проводниками. Выполнением ЭВП в виде нескольких коаксиальных цилиндрических проводников, включенных параллельно, обеспечивается увеличение механической и электрической прочности, повышение амплитуды передаваемого тока и уменьшение индуктивности ФИТ, из-за чего сокращены постоянная времени т и

длительность импульса тока, а мощность увеличена. Отличительным существенным признаком заявляемого изобретения является и то, что коаксиальные цилиндрические проводники изолированы друг от друга, чем обеспечивается повышение напряженности электрического поля на поверхности взрываемого проводника, так как ударная волна от ЭВП распространяется не в воздухе, а в толще диэлектрика и развитие электрической дуги затруднено. Рост мощности обусловлен таким образом увеличенными током и напряжением на ЭВП, увеличенной площадью токонесущей поверхности цилиндрических проводников, через которые пропускается мощность от источника к нагрузке, увеличенным числом электрически взрываемых проводников, и тем, что сопротивление каждого предыдущего проводника на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, что достигается использованием различных металлов. Каждый проводящий элемент может быть выполнен в виде сплошных цилиндрических оболочек, набора отдельных полос различной конфигурации или проволочек, расположенных по образующим цилиндра

Соотношения масс и сопротивлений проводящих элементов обеспечивают условия согласования источника тока с нагрузкой, путем эффективного взрыва каждого проводящего элемента с меньшими потерями энергии. Сопротивление последующего проводящего элемента выбрано большим на порядок для того, чтобы оно не влияло на работу источника тока практически до момента взрыва предыдущего проводящего элемента. Масса последующего проводящего элемента выбрана на порядок меньше, для того, чтобы после взрыва предыдущего элемента осуществить взрыв последующего элемента за существенно меньшее время. При взрыве предыдущего элемента происходит увеличение его сопротивления Эта величина может быть резко уменьшена из- за вторичного пробоя по продуктам взрыва этого проводящего элемента. В связи с этим источник тока будет зашунтирован. Чтобы этого не произошло необходимо взрыв последующего элемента произвести за время меньшее, чем произойдет вторичный пробой. Это обеспечивается подбором массы и сопротивления. Соотношение сопротивлений и массы проводящих элементов в коаксиальной геометрии обеспечивается выбором толщины и материала элементов ЭВП

При анализе заявляемого обьекта на соответствие критерию изобретения существенные отличия не обнаружены технические решения, содержащие отличительные признаки заявляемого обьекта. Таким образом, заявляемое техническое решение отвечает критерию изобретения существенные отличия.

На чертеже изображен заявляемый формирователь импульса тока.

Он содержит электрически взрываемый

проводник 1,2, ввод 3 и вывод 4 для подключения источника тока и нагрузки. ЭВП выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов 1,2, включенных параллельно

между собой и изолированны пруг от друга диэлектриком 5. Сопротив,.. ие каждого предыдущего проводящего элемента 1 на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего 2 по напр млению от

ввода 3 к выводу 4.

В качестве примера конкретного выполнения приведем ФИТ, содержащий ЭВП 1,2, ввсд 3 и вывод 4 (в виде медных пластин). ЭВП выполнен из трех цилиндрических коаксиальных проводников: цилиндра 1 из железа армко, выполненного из листа толщиной 0,7 мм, массой 40 г на единицу длины, медного цилиндра (на чертеже не изображен) толщиной мм, массой 0,б г

на 1 см длины и цилиндра 2 из напыленного на диэлектрик 5 слоя, алюминия толщиной -100 А с погонной массой 1, г/см. Начальные сопротивления цилиндров равны соответственно Ом, Ом и 0,8-Ю 3

Омг диэлектрик 5 - стеклоткань, пропитанная эпоксидным компаундом ЭК-6. Могон- ные индуктивности полостей между цилиндрами равны 0,1 нГн/см. В процессе роста тока источника (МК-генератора) за

время т0 «15-20 мкс первый цилиндр из железа армко нагревается до температуры выше температуры плавления и его сопротивление (к моменту максимума тока источника) увеличивается в 14 раз.

Максимальная амплитуда тока по первому и второму цилиндру составила величину 15,3 МА, производная тока (по времени) 10 А/с и переданная мощность б -1010 Вт. После взрыва второго (медного) цилиндра

мощность возросла до 3 -10 11 Вт, а после взрыва 3-го -до 5 -1012 Вт. Амплитуда тока в нагрузке индуктивностью 10 нГн составила 25 МА с эффективным временем 0,5 мкс нарастания от 0,1 до 0,8 от максимального значения тока.

Использование формирователя импульса тока, в котором электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов с определенным соотношением сопротивления и массы,позволяет осуществить вывод энергии в нагрузку с большей в несколько раз мощностью в сравнении с ФИТ, в котором лишь один ЭВП малого сечения и большой длины,

Формула изобретения Формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод для подключения источника тока и вывод для подключения нагрузки, отличающийся тем, что. с целью увеличения

мощности формируемого импульса, указанный электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух проводящих элементов, каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра, причем указанные проводящие элементы установлены коаксиально,изолированы один от другого и включены параллельно при этом сопротивление каждого предыдущего проводящего элемента на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от внешнего проводящего элемента к внутреннему.