СИЛЬНОТОЧНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПРЕРЫВАТЕЛЕЙ ТОКА

Полезная модель относится к сильно точной импульсной технике и может быть использована в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов с длительностью импульса несколько десятков наносекунд, рентгеновского излучения и т.д.
Известен аналог - сильноточная импульсная установка, содержащая импульсный генератор тока, основанный на магнитной кумуляции, включающий в качестве первичного источника энергии взрывомагнитный генератор с системами энергообеспечения и подрыва [патент РФ на полезную модель №31896, опубликован БИПМ №24, 27.08.03]. В этом генераторе первичный магнитный поток, созданный в токовом контуре, сжимается с помощью взрыва. Уменьшение индуктивности контура при сохранении магнитного потока приводит к многократному увеличению тока в контуре. Этот тип токового генератора дает возможность формировать мультимегаамперные токи в нагрузке, в частности, в плазменном прерывателе тока (ППТ). Недостаток этого типа генераторов заключается в разрушаемости как самого генератора, так и нагрузки.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является сильноточная импульсная установка для исследования ППТ, выбранная за прототип [Бугаев С.П., Волков А.М., Ким А.А., Киселев В.Н., Ковальчук Б.М., Ковшаров Н.Ф., Кокшенев В.А., Курмаев Н.Е., Логинов С.В., Месяц Г.А., Фурсов В.И., Хузеев А.П. ГИТ 16: мегаджоульный импульсный генератор с плазменным ключом для нагрузок типа Z-пинча. Изв. вузов. Физика. 1997. №12, с.38-66]. Прототип представляет собой установку, содержащую 12-модульный секционированный первичный емкостной накопитель, коммутируемый посредством системы синхронизации и коммутации, индуктивный накопитель и узел ППТ. Каждый модуль состоит из первичного емкостного накопителя, являющегося генератором импульсов напряжения (ГИН), представляющего собой конструкцию, состоящую из девяти параллельных секций, собранных по схеме 12-каскадного генератора Маркса. За каждым модулем следует индуктивный накопитель, содержащий передающую вакуумную коаксиальную линию. Передающие вакуумные линии от двенадцати модулей сходятся на центральном узле, представляющем собой основной вакуумный коллектор, связанный с узлом ППТ. Основной вакуумный коллектор имеет диаметр 1,5 м. Плазмообразующая система использует инжекторы типа flashboard.
Недостатком этой установки является большое выходное напряжение первичного емкостного накопителя - порядка 600...840 кВ, что обусловливает необходимость использования в индуктивном накопителе вакуумных передающих линий, обеспечивающих требуемую электропрочность системы. Это делает сильноточную установку сложной, что связано с необходимостью вакуумирования частей установки.
Задача заключается в совершенствовании установки с точки зрения ее упрощения и удобства эксплуатации. Технический результат состоит в упрощении индуктивного накопителя установки за счет замены типа первичного источника энергии, повышении надежности ее работы, а также упрощении плазмообразующей системы.
Технический результат достигается тем, что по сравнению с известной установкой (прототипом), состоящей из электрически связанных между собой модульного первичного источника энергии, модуль которого представляет собой секционированный емкостной накопитель, коммутируемого посредством систем синхронизации и коммутации, а также индуктивного накопителя, состоящего из ветвей передающих линий, связывающих каждый модуль первичного источника энергии через суммирующий коллектор с узлом плазменного прерывателя тока, новым в предлагаемой установке является то, что в качестве емкостного накопителя в модуле первичного источника энергии использован многосекционный генератор импульсных токов, а в индуктивном накопителе установки передающими линиями служат многоэлементные кабельные линии, снабженные в каждой ветви промежуточными маслонаполненными кабельными коллекторами и сходящиеся в суммирующем маслонаполненном кабельном коллекторе. Кроме того, в предлагаемой установке плазмообразующая система может быть выполнена на основе газоплазменных коаксиальных инжекторов.
Упрощение установки достигается следующим образом. Замена в модуле первичного накопителя энергии типа секционированного емкостного накопителя с генератора импульсов напряжения (ГИН), имеющего место в прототипе, на предлагаемый в заявляемой установке многосекционный генератор импульсных токов (ГИТ) позволяет обеспечить снижение на порядок выходного напряжения модулей, что связано с различием суммирования напряжений и токов в схемах, основанных на ГИН и ГИТ. Электрическая схема, основанная на ГИН, обеспечивает суммирование напряжения секций на выходе первичного емкостного накопителя, в отличие от него схема на ГИТ обеспечивает суммирование токов секций на выходе первичного накопителя с сохранением выходного напряжения накопителя равным зарядному напряжению секции. Происходящее в заявляемом случае снижение выходного напряжения модулей (емкостных накопителей) до уровня электропрочности высоковольтных кабелей
16
-3
промышленного изготовления делает возможным использование многоэлементных кабельных передающих линий и маслонаполненных кабельных коллекторов (промежуточных, установленных в ветвях передающих линий, и суммирующего, объединяющего передающие линии перед узлом ППТ) с предлагаемой схемой соединения на всех этапах передачи энергии от первичного источника энергии до узла ППТ. Это исключает необходимость использования громоздких вакуумных передающих линий и вакуумных коллекторов, имеющих место в прототипе. В связи с использованием кабельных передающих линий, устройство которых гораздо проще, чем устройство вакуумных передающих линий, повышается надежность работы установки и существенно упрощается ее конструкция. Кроме того, использование газоплазменных коаксиальных инжекторов [В.В.Боровков, К.И.Алмазова, Е.П.Волков, В.Г.Корнилов, С.Ю.Корнилов, В.Д.Селемир, Д.А.Толшмяков, А.А.Хижняков, В.И.Челпанов. Исследование газонаполняемого инжектора плазменного прерывателя тока. Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.4, с.38-41] в плазмообразующей системе в заявляемой установке позволяет обеспечить достижение рабочего тока ППТ на уровне, в частности, единиц мегаампер при использовании нескольких инжекторов. Выбор типа инжекторов упрощает устройство плазмообразующей системы по сравнению с обычно используемыми в мегаамперных ППТ конструктивно более сложными плазмообразующими системами типа flashboard. Преимущество газоплазменных инжекторов связано с тем, что они позволяют обеспечить плотность плазмы в межэлектродном зазоре ППТ на уровне единиц 10 с ,что более чем на порядок превышает плотность плазмы в ППТ прототипа.
На фигуре изображена схема сильноточной импульсной установки, содержащей систему синхронизации и коммутации, в которой 1 - генератор, задающий временную последовательность пусковых импульсов, поступающих на пусковые генераторы 2, коммутирующие соответствующие первичные емкостные накопители энергии; 3 - модули первичного емкостного накопителя энергии (ГИТ); 4 - многоэлементная кабельная передающая линия; 5 - промежуточный маслонаполненный кабельный коллектор индуктивного накопителя, установленный в ветви передающей линии, соответствующей определенному модулю первичного источника энергии (генератору импульсного тока); 6 - минимизированная по числу кабелей кабельная линия, объединенная в 7; 7 - суммирующий маслонаполненный кабельный коллектор; 8 - импульсный газовый клапан плазменного инжектора; 9 - плазменный инжектор; 10 - узел ППТ; 11 - конденсаторная батарея плазменного инжектора; 12 - конденсаторная батарея газового клапана.
Многоэлементные кабельные линии 4, 6 и масляные коллекторы (промежуточные и суммирующий) 5, 7 образуют индуктивный накопитель заявляемой установки.
В примере реализации полезной модели каждый модуль 3 (рис.1) четырехмодульного первичного емкостного накопителя представляет собой ГИТ, собранный на промышленных конденсаторах типа ИК-100-0.4 по 2 конденсатора в секции. Секции помещены в металлические баки, наполненные трансформаторным маслом. Роль коммутирующего устройства 2 выполняют газонаполненные разрядники тригатронного типа, аналогичные использовавшимся в работе [Авилов Э.А., Воинов Б.А., Юрьев А.Л. Газонаполненные металлокерамические разрядники высокого давления. ПТЭ 2000, №2, с.78-81]. Соответствующие каждому модулю индуктивные накопители представляют собой многоэлементные кабельные передающие линии 4 (ветви передающих линий, связывающие каждый модуль с узлом ППТ), собранные на основе промышленных кабелей типа КВИ-100, в ветвях передающих линий установлены промежуточные маслонаполненные кабельные коллекторы 5. Кабельные линии с минимизированным количеством кабелей 6, аналогичных кабелям в передающих линиях 4, связывают промежуточные коллекторы 5 с суммирующим маслонаполненным кабельным коллектором 7, установленным в металлическом корпусе, за которым следует узел ППТ. Образующие плазменную систему в узле ППТ газоплазменные коаксиальные инжекторы с импульсными газовыми клапанами аналогичны использовавшимся в работе [В.В.Боровков, К.И.Алмазова, Е.П.Волков, В.Г.Корнилов, С.Ю.Корнилов, В.Д.Селемир, Д.А.Толшмяков, А.А.Хижняков, В.И.Челпанов. Исследование газонаполняемого инжектора плазменного прерывателя тока. Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.4, с. 38-41]. Конденсаторные батареи плазменных инжекторов и газовых клапанов собраны на основе промышленных конденсаторов. Задающий генератор 1 - генератор импульсов, пусковые генераторы 2 - высоковольтные генераторы пусковых сигналов.
Предлагаемая замена в модуле типа емкостного накопителя (ГИН на ГИТ) позволила перейти к кабельным передающим линиям и смене типа коллектора (маслонаполненные) благодаря снижению выходного напряжения модулей, реализованному, в частности, в заявляемой установке с зарядкой модулей до напряжения 80...95 кВ по сравнению с прототипом, где выходное напряжение модулей 600...840 кВ. Использование промежуточного маслонаполненного кабельного коллектора 5 позволяет минимизировать число кабелей кабельной линии 6, следствием чего является упрощение узла суммирующего маслонаполненного коллектора 7. В примере конкретного исполнения кабельные линии 4 содержат 56 кабелей от каждого из четырех модулей, т.е. всего за
1
-3
модулями (ГИТ) организовано 224 кабеля. Кабельная передающая линия 6 с минимизированным числом кабелей на участке между маслонаполненньм коллектором 5 и суммирующим маслонаполненньм коллектором 7 содержит уже 7 кабелей от маслонаполненных коллекторов 5, т.е. содержит всего 28 кабелей длиной 1,5 м. Очевидно существенное упрощение индуктивного накопителя установки. Используемые газоплазменные инжекторы позволяют обеспечить плотность плазмы в межэлектродном зазоре узла ППТ 10 на уровне единиц 10 см, что более, чем на порядок превышает плотность плазмы в ППТ прототипа при относительной конструктивной простоте. В реализованной установке использовано б инжекторов, заменяющих конструктивно более сложный инжектор прототипа - типа flashboard. Таким образом, предлагаемая замена в модуле типа емкостного накопителя (ГИН на ГИТ) в установках с одинаковым числом модулей позволила перейти к кабельным передающим линиям вместо вакуумных и смене типа коллектора на маслонаполненные, благодаря снижению выходного напряжения модулей, реализованному, в частности, в заявляемой установке с зарядкой модулей до напряжения 80...95 кВ по сравнению с прототипом, где выходное напряжение модулей 600...840 кВ.
Работа устройства начинается с зарядки емкостных накопителей. Пуск задающего генератора 1 осуществляет последовательный по заданной программе запуск генераторов 2, последние осуществляют коммутацию батареи клапанов 12, плазменного инжектора 11 и секций модулей емкостного накопителя 3 ППТ. Срабатывание клапанной батареи приводит к импульсному напуску газа внутрь газоплазменных инжекторов 9. Включение инжекторной батареи вызывает разряд в области газоплазменных инжекторов и инжекцию плазмы в межэлектродный зазор узла ППТ 10. Коммутация разрядников ГИТ приводит к появлению тока в контуре кабельных линий и плазменного прерывателя тока. При достижении током критического уровня, определяемого геометрией и плазменными параметрами ППТ, фазу накопления тока сменяет фаза разрыва тока. При этом наблюдается резкий рост сопротивления плазменного токового канала, генерируется ЭДС самоиндукции, генерируемый электромагнитный импульс передается в нагрузку, в частности в ППТ,
Таким образом, может быть проведено исследование работы ППТ при мощных импульсных токах на базе предлагаемой установки, конструктивно упрощенной по сравнению с прототипом за счет смены типа первичного модульного накопителя энергии (модуль - многосекционный ГИТ ), повлекшей за собой возможность при формировании индуктивного накопителя установки заменить сложную вакуумную систему передающих
линий с соответствующими ей вакуумными коллекторами на кабельные передающие линии с маслонаполненными кабельными коллекторами.