СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА ТОКА В НАГРУЗКЕ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD FOR FORMING A CURRENT PULSE IN THE LOAD OF THE INDUCTIVE ELECTROMAGNETIC ENERGY STORAGE

Изобретение относится к сильноточной коммутационной технике и может быть использовано для формирования в нагрузках индуктивных накопителей электромагнитной энергии импульсов тока с субмикросекундным фронтом нарастания.
Известными аналогами заявляемого технического решения являются способы формирования импульса тока в нагрузках индуктивных накопителей электромагнитной энергии, принцип действия которых основан на разрыве контура накопителя и подключении накопителя к нагрузке (изначально накопитель отделен от нее), которое осуществляют прежде, чем завершится процесс разрыва контура (см., например, [1], [2] - с. 164-170; [3] - с. 44-46, с. 322-327). Разрыв контура осуществляют с помощью открывающих ключей, в частности, взрывного или электровзрывного типа (см. там же в [1-3]). Подключение нагрузки к накопителю производят с помощью различного вида замыкающих ключей или разрядников: газовых, вакуумных, твердотельных, жидкостных и пр. ([3] - с. 195-253).
Например, известен сходный с заявляемым по технической сущности способ формирования импульса тока в нагрузке индуктивного накопителя электромагнитной энергии [4-5], заключающийся в разрыве его контура и подключении накопителя к нагрузке прежде, чем завершится процесс разрыва контура, с помощью замыкающего ключа с твердой диэлектрической изоляцией коммутационного промежутка.
Указанный способ в [4-5] реализуют с помощью устройства, в котором в качестве индуктивного накопителя применяется компрессионный контур дискового взрывомагнитного генератора (ДВМГ), а для разрыва контура используется открывающий ключ - фольговый электровзрывной размыкатель тока, шунтирующий ДВМГ и устанавливаемый в передающую линию, соединяющую ДВМГ с нагрузкой. Взрывной ключ замыкания, встраивают в разрыв передающей линии между открывающим ключом и нагрузкой.
Способ реализуют следующим образом. Запускают процесс магнитной кумуляции в компрессионном контуре ДВМГ. По его завершении электромагнитная энергия накапливается в компрессионном контуре. Затем замыкают взрывной ключ, приводя в движение его подвижную часть, которая разрушает диэлектрическую изоляцию и соединяет компрессионный контур с нагрузкой. Далее под воздействием возросшего в процессе магнитной кумуляции тока происходит электровзрыв проводника фольгового размыкателя. В результате энергия из компрессионного контура выводится в нагрузку.
Недостатком описанного способа является отсутствие физической автосинхронизации моментов срабатывания открывающего и замыкающего ключей, поскольку процесс электровзрыва проводника и подрыва заряда взрывчатого вещества - разнородные невзаимосвязанные явления. Другими недостатками являются относительно низкое быстродействие и большой разброс момента срабатывания замыкающего ключа, сопоставимый по величине с продолжительностью процесса электровзрыва или превышающий его (продолжительность электровзрыва для аналога примерно совпадает с характерным временем нарастания тока в индуктивной нагрузке и составляет минимально 1 мкс (см. [4-5], [6] - с. 27, [7] - с. 40). Сравнительно низкое быстродействие и большой разброс по времени - следствие относительно невысокой скорости, достигаемой подвижной частью замыкающего ключа под воздействием энергии взрыва, которая не превышает одного - нескольких миллиметров в микросекунду (скорость детонации современных взрывчатых веществ -1…8 мм/мкс, соответственно скорость приводимых в движение под ее воздействием физических тел в несколько раз ниже вследствие инерционности масс). Таким образом, при миллиметровой пространственной асинхронности замыкания ключа временной разброс может достигать 0,5 мкс. К нему еще следует добавить разброс системы инициирования заряда, который в общем случае определяется свойствами запускающей аппаратуры и характеристиками капсюлей-детонаторов и может составлять от одной десятой до нескольких микросекунд. Все это приводит к необходимости осуществлять подключение индуктивного накопителя к нагрузке до момента электровзрыва проводника с гарантированным временным упреждением, учитывающим возможное отклонение момента электровзрыва от расчетного значения и указанный разброс момента срабатывания замыкающего ключа. В результате минимальное время нарастания тока в нагрузке, определяющее передаваемую импульсную мощность, ограничивается полным временем срабатывания открывающего ключа, которое в [4-5] включает процессы на]рева и электровзрыва проводника и относительно велико.
Известен другой способ формирования импульса тока в нагрузке индуктивного накопителя электромагнитной энергии [8], который является наиболее близким к заявляемому и принят в качестве прототипа.
Способ заключается в разрыве контура индуктивного накопителя и замыкании накопителя на нагрузку с помощью разрядника с межэлектродной изоляцией из конденсированного диэлектрика, пробиваемой под действием импульса электрического напряжения, генерируемого при разрыве контура индуктивного накопителя. Разрядник выполняет ту же функцию, что и замыкающий ключ в аналоге. Материал межэлектродной изоляции - лавсан. При этом толщину межэлектродной изоляции разрядника выбирают таким образом, чтобы ее пробой происходил при напряжении соответствующем моменту начала процесса электровзрыва проводника (т.е. в момент, когда удельная тепловая энергия достигнет уровня испарения материала).
Способ реализуют в [8] с помощью устройства, в котором в качестве источника для запитки индуктивного накопителя применяется спиральный взрывомагнитный генератор (СВМГ), снабженный взрывным размыкателем тока. Контур индуктивного накопителя состоит из открывающего ключа, разрывающего этот контур, и указанного источника энергии. Открывающий ключ - электровзрывной, выполнен из медной фольги толщиной 17-20 мкм. Нагрузка подключается к открывающему ключу с помощью передающей линии через разрядник.
Воспроизводится способ в [8] следующим образом. Запускают процесс магнитной кумуляции в компрессионном контуре СВМГ. По его завершении инициируют взрывной размыкатель тока, который разрывает контур СВМГ и создает на открывающем ключе импульс тока 2-3 МА с фронтом нарастания 1.2-1.4 мкс. Начинается процесс нагрева фольги открывающего ключа под действием тока, сопровождаемый ростом ее сопротивления, вследствие чего на разряднике генерируется нарастающий импульс напряжения. Когда напряжение достигает величины, характерной для завершающей стадии нагрева проводника, переходящей в стадию его электровзрыва, происходит пробой межэлектродной изоляции разрядника. В результате индуктивный накопитель замыкается на нагрузку (которая в данном конкретном случае была индуктивной и составляла 10 нГн). Затем происходит электровзрыв проводника и в нагрузке формируются импульсы напряжения и тока с укороченным фронтом, обусловленным обрезанием разрядником его относительно длинного (-1 мкс) начального участка, соответствующего изменяющемуся на стадии нагрева проводника сопротивлению. Из представленных в [8] данных следует, что фронт нарастания напряжения в нагрузке составлял 0.1-0.2 мкс, а фронт нарастания тока, определяемый шириной импульса напряжения (производной тока) по его основанию, находился в диапазоне 0.2-0.4 мкс для проведенной серии экспериментов.
Из изложенного следует, что в прототипе устранен первый недостаток аналога, поскольку коммутация разрядника (замыкающего ключа) происходит в самосогласованном режиме с процессом срабатывания открывающего ключа (с началом электровзрыва) и не требует какого-либо внешнего управления. За счет этого удается избежать необходимости упреждающего подключения индуктивного накопителя к нагрузке.
Второй и третий недостатки аналога, связанные с относительно низким быстродействием замыкающего ключа и большим разбросом момента его срабатывания, устранены лишь частично.
Действительно, процесс пробоя твердого диэлектрика (в данном случае - лавсана) импульсом напряжения можно разделить на две стадии: стадию потери диэлектриком электрической прочности и стадию разрушения ([9] - с. 128-130). Стадия потери диэлектриком электрической прочности - это стадия формирования разряда, в процессе которой образуется канал пробоя, продвигающийся от одного электрода к другому. Эта стадия завершается в момент замыкания электродов. Скорость развития канала в твердых диэлектриках изменяется в широком диапазоне 1-2000 мм/мкс ([9] - с. 130-131, [10-12]). Она зависит от направления движения канала (от катода к аноду или наоборот), материала диэлектрика и напряженности электрического поля (межэлектродной разности потенциалов) и может быть существенно выше скорости механического перемещения взрывного замыкающего ключа. В этом состоит преимущество прототипа перед аналогом по быстродействию.
Однако быстродействие разрядника определяется не только скоростью замыкания электродов, но также скоростью и глубиной падения его сопротивления. Недостатком прототипа является то, что он не способен обеспечить быстрое падение сопротивления канала пробоя при относительно высоких уровнях пробивного напряжения, поскольку с ростом напряжения нелинейно возрастает толщина изоляции, требуемая для его удержания, и, как следствие, снижается мощность энерговыделения, приходящаяся на единицу длины канала пробоя. Это в свою очередь приводит к снижению темпов расширения канала пробоя и нарастания его проводимости.
Известно, что высокое быстродействие разрядников с твердым диэлектриком при высоковольтной коммутации достигается при создании значительных (в 1.2-1.5 раза и более) перенапряжений на изоляторе (см. [3] - с. 243, [13] - с. 159), для чего за время формирования разряда в диэлектрике напряжение должно вырасти до уровня, существенно превышающего пробивное напряжение межэлектродной изоляции. Последнее позволяет значительно увеличить мнгновенную мощность энерговыделения, а значит и скорость падения сопротивления разрядника. Однако в прототипе такой режим коммутации не реализован.
Как указывалось выше, в прототипе пробой изоляции разрядника осуществляют в момент начала электровзрыва проводника, т.е. при относительно невысоком уровне напряжения и, соответственно, тонкой межэлектродной изоляции. Поэтому минимальное время нарастания тока в нагрузке, определяющее передаваемую в нее импульсную мощность, ограничивается в прототипе длительностью процесса электровзрыва, что также является его недостатком.
В силу самосогласованности срабатывания разрядника с электровзрывом проводника открывающего ключа и большего быстродействия разрядника по сравнению с взрывным ключом замыкания временной разброс момента коммутации индуктивного накопителя на нагрузку по отношению к моменту срабатывания открывающего ключа у прототипа меньше, чем у аналога. Однако он все еще остается существенным и может приводить к нестабильности коммутации. Причина в том, что при пробое промышленных диэлектриков имеет место двукратный и более разброс пробивного напряжения ([9] - с. 168). Происходит это из-за наличия в промышленных образцах материалов микродефектов, неоднородностей и посторонних микровключений, влияющих на их электропрочность. Указанная нестабильность режима коммутации разрядника по уровню пробивного напряжения может приводить к его преждевременному или запаздывающему пробою, что, в свою очередь, ведет к нестабильности фронта нарастания тока в нагрузке и препятствует возможности осуществления многоканальной комутации, рекомендованной, например, в [1] для работы с мулътимегаамперными токами.
Заявляемое изобретение решает задачу повышения пиковой мощности формируемого в нагрузке импульса тока и повышения стабильности коммутации.
Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение фронта нарастания тока, переключаемого из индуктивного накопителя электромагнитной энергии в нагрузку. Дополнительно обеспечивается снижение разброса пробивного напряжения изоляции разрядника.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом формирования импульса тока в нагрузке индуктивного накопителя электромагнитной энергии, заключающемся в разрыве контура индуктивного накопителя и замыкании накопителя на нагрузку с помощью разрядника с межэлектродной изоляцией из конденсированного диэлектрика, пробиваемой под действием импульса электрического напряжения, генерируемого при разрыве контура индуктивного накопителя, в заявляемом способе пробой осуществляют в режиме локализованного усиления напряженности электрического поля в прикатодной зоне диэлектрика, и создают задержку пробоя на фоне броска межэлектродной разности потенциалов при разрыве контура индуктивного накопителя. (Под задержкой пробоя в данном случае понимается интервал времени от момента достижения напряжением пробивного уровня, т.е. уровня, когда начинает формироваться канал пробоя, до момента замыкания электродов.)
В качестве конденсированного диэлектрика могут использоваться твердые неполярные диэлектрики - полиэтилен или полистирол, а также жидкие диэлектрики - электроизоляционные масла, либо дистиллированная вода высокой степени очистки.
В случае использования жидкого диэлектрика он может быть предварительно подвергнут ультразвуковой обработке.
Из результатов экспериментальных исследований пробоя в твердых диэлектриках известно (см. [9] - с. 128-137), что при создании мест локализованного усиления напряженности электрического поля в прикатодной зоне диэлектрика (например, путем выполнения катода в виде одного или ряда игольчатых электродов, внедренных в диэлектрик) пробой формируется в виде канала, продвигающегося от указанных мест локализации в направлении от катода к аноду. Развитие канала начинается с момента достижения напряжением пробивного уровня (в импульсном режиме приложения напряжения этот уровень может быть ниже уровня статического пробивного напряжения - см. [14] - с. 74, 77-78, 82-83). При этом скорость продвижения канала существенно ниже (иногда на порядок и более: см. [9] - с. 130-132), чем в случае, когда указанное локальное усиление электрического поля отсутствует, как в прототипе, а пробой развивается от анода к катоду катоду (при отсутствии специальных мер инициирования пробоя с катода это - преимущественное направление разряда). Причина падения скорости состоит в том, что прикатодное локализированное усиление электрического поля препятствует формированию электронных лавин (механизм ударной ионизации), прокладывающих канал пробоя (см. [9] - с. 119-127, 132). Поэтому возникает большая по длительности задержка пробоя относительно момента достижения пробивного напряжения. Воникновение задержки объясняется также на основании теоретических представлений, на которые указывается, например, в работе [15]. В соответствии с ними скорость развития разряда с катода не может превышать скорости звука, что находит экспериментальное подтверждение. Для распространенных технических диэлектриков скорость звука относительно невелика (например, для полиэтилена - 2.48 мм/мке [16] - с. 148).
Известно также, что значительная задержка пробоя имеет место в ряде жидких диэлектриков - например, в случае насыщенных жидких углеводородов (см. [9] - с. 206). При этом, как и в твердых диэлектриках, меньшая скорость развития канала пробоя наблюдается в случае локализованного прикатодного усиления напряженности электрического поля (например, по данным, приведенным в [9] - с. 229-230, эта скорость для трансформаторного масла может уменьшаться в 1.3-3 раза в зависимости от режима разряда).
Кроме того, в случае прикатодной локализации усиления поля обеспечивается  электропрочность конденсированных диэлектриков по сравнению со случаем прианодной локализации (см. [9] - с. 132, 227-228; [14] - с. 79-82).
Поскольку наибольшая электропрочность диэлектриков обеспечивается в однородном электрическом поле, области локализованного усиления электрического поля не следует выносить на значительное расстояние от катода, располагая их в прикатодной зоне. Это уменьшит степень искажения электрического поля в основном объеме межэлектродного пространства и сохранит относительно высокий уровень пробивного напряжения. При этом конкретное расстояние определяется в каждом случае спецификой решаемой задачи и необязательно должно быть много меньше толщины изоляции.
S
r
Задержку пробоя создают таким образом, чтобы она происходила на фоне броска межэлектродной разности потенциалов, генерируемого при разрыве контура индуктивного накопителя. Это обеспечивает рост межэлектродного напряжения за время задержки в отличие от прототипа. Для этого материал (который влияет на скорость развития каната пробоя) и толщину изоляции разрядника, а также режим разрыва контура (режим работы открывающего ключа, с помощью которого этот разрыв осуществляют) подбирают таким образом, чтобы за время развития пробоя напряжение U, генерируемое при разрыве контура, превысило пробивное U на возможно большее значение. Достаточный уровень превышения подбирается, исходя из требований к скорости переключения тока в нагрузку для каждой конкретной цели реализации способа.
r
В общем случае момент начала пробоя t, задержка пробоя τ и толщина изоляции h должны удовлетворять условиям:
r
com
где U(h) - зависимость пробивного напряжения от h; U - требуемое напряжение коммутации разрядника, лежащее выше уровня, от которого происходит бросок напряжения, но не превышающее максимального напряжения, генерируемого при разрыве контура индуктивного накопителя; ν(t) - зависимость продольной скорости приращения длины канала пробоя от времени t.
Первое и третье уравнения в приведенной выше системе уравнений выражают очевидные условия баланса потенциалов на электродах разрядника, второе - описывает развитие канала пробоя.
При этом приращение напряжения на разряднике над уровнем пробивного определяется равенством:
Следует отметить, что, из-за непрерывного нарастания межэлектродного напряжения в течение времени развития канала с катода и сокращения расстояния между головной частью канала и анодом, возможен старт встречного разряда с анода, когда напряженность электрического поля вблизи него превысит уровнь электропрочности диэлектрика. Поэтому в общем случае под ν(t) следует понимать скорость, которая складывается из встречных скоростей развития каналов пробоя с катода и анода разрядника:
a
a
a
c
a
причем ν(t)=0 на начальной стадии развития пробоя (при t<t, где t - момент старта разряда с анода). На практике ν(t) и ν(t) можно заменить усредненными значениями скоростей, полученными из эксперимента.
Возникающее перенапряжение приводит к повышению мощности энерговыделения в пробивном канале, к интенсификации разрушающего воздействия пробоя на диэлектрик, к расширению канала и повышению температуры образующейся в нем плазмы. Следствием этого является быстрый рост проводимости канала и падение его сопротивления, Действительно, сопротивление в первом приближении можно считать обратно пропорциональным сечению и проводимости канала и связать последнюю с температурой плазмы с помощью формулы [17]:
(здесь σ - проводимость, Т - электронная температура, InΛ - кулоновский логарифм).
Кроме того, ускоренному и глубокому падению сопротивления способствует наличие локального усиления электрического поля в прикатодной области разрядника, снижающего потенциальный барьер для выхода электронов из катода. В случае жидкого диэлектрика потенциальный барьер дополнительно снижается за счет влияния на работу выхода электронов перехода металл-жидкость ([9] - с. 204-205).
Быстрое падение сопротивления приводит к сокращению фронта нарастания тока в нагрузке, длительность которого уже не ограничивается снизу длительностью процесса разрыва контура индуктивного накопителя. Причем в предельном случае мгновенного срабатывания разрядника кривая нарастания тока, а, значит, и минимальная длительность фронта, будут определяться соотношением (см. [2] - с. 165):
W
i
Sm
i
W
где I(t) - зависимость тока в нагрузке от времени; I, R - ток в индуктивном накопителе и сопротивление открывающего ключа в момент срабатывания разрядника; L и L - индуктивности накопителя и нагрузки. Нетрудно, например, убедиться, что это соотношение показывает принципиальную возможность за счет соответствующего подбора параметров получать в нагрузках индуктивностью ~ 10 нГн фронт нарастания тока ~ 100 нс.
Помимо этого, наличие мест локализованного усиления напряженности электрического поля в прикатодной зоне диэлектрика подавляет, как более сильный фактор, влияние на пробой случайных неоднородностей, микровключений и загрязнений в материале твердого или жидкого изолятора. В соответствии с экспериментальными данными, на которые указывается, например, в [3] (с. 244), введение искусственных концентраторов напряженности электрического поля позволяет снизить разброс пробивного напряжения до 2-6% и тем самым повысить стабильность процесса коммутации индуктивного накопителя на нагрузку, обеспечивая устойчивое проявление эффекта сокращения длительности фронта нарастания тока в нагрузке.
В качестве твердой изоляции межэлектродного промежутка разрядников применяют полимерные полярные и неполярные диэлектрики. В прототипе изоляция выполнена из лавсана, являющегося полярным диэлектриком. Известно, что полярные диэлектрики обладают высокой электропрочностью в относительно однородных электрических полях (например, формируемых электродами типа шар - плоскость, см. [18]). Однако при наличии неоднородностей (типа игла - плоскость) большую электропрочность обеспечивают некоторые неполярные диэлектрики, в частности, полиэтилен и полистирол (см. там же [18]). Поэтому их использование является наиболее оптимальным для заявляемого способа (в то же время применение полярных диэлектриков предпочтительнее для прототипа в отсутствии локализованного усиления электрического поля).
В случае использования жидких диэлектриков целесообразно применять электроизоляционные масла на углеводородной основе (например, трансформаторное масло), а также дистиллированную воду, поскольку они обладают относительно высокой электропрочностью и доступностью. Причем применение жидких диэлектриков высокой степени очистки обеспечивает повышение электропрочности в 5-6 раз по сравнению с промышленными техническими образцами жидкостей (см. [9] - с. 202). Дополнительного повышения электропрочности жидких диэлектриков можно добиться путем их обработки ультразвуком (см. [9] - с. 234). Повышенная электропрочность изоляции позволяет увеличить напряженность предпробивных электрических полей и тем самым повысить мощность энерговыделения, глубину и скорость падения сопротивления при пробое разрядника. Кроме того, в обоих случаях, как за счет высокой степени очистки, так и при ультразвуковой обработке, достигается более высокая однородность среды, что снижает разброс пробивного напряжения и, как следствие, повышает стабильность коммутации.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет устранить недостатки прототипа за счет изменения режима коммутации индуктивного накопителя.
Отметим, что применение локализованного усиления электрического поля для коммутации твердотельных разрядников является известным приемом (см., например, [3] - с. 243-245). Его используют для повышения скорости замыкания электродов и организации многоканального пробоя за счет снижения разброса пробивного уровня напряжения. При этом для запуска разрядников используют генераторы высоковольтных импульсов напряжения с фронтом нарастания на уровне 100 наносекунд и менее, т.к. только при таком коротком фронте появляются заметные перенапряжения на фоне незначительной задержки пробоя (см., например, [9] - с. 176), а наибольшая эффективность в повышении быстродействия обеспечивается при использовании прианодной локализации электрических перенапряжений (поскольку скорость развития канала пробоя повышается на порядок). Однако в заявляемом техническом решении важна вовсе не скорость замыкания электродов (ее как раз следует снизить для создания задержки), а скорость и глубина падения сопротивления после того, как электроды будут замкнуты. Причем известные сильноточные открывающие ключи индуктивных накопителей не позволяют получать столь короткую (~ 100 нс) длительность фронта импульса напряжения. Поэтому добиться высокой скорости переключения тока в нагрузку можно только за счет совокупного использования открывающего ключа и разрядника, работающего в заявляемом режиме с задержкой пробоя.
Пример реализации заявляемого способа формирования импульса тока в нагрузке индуктивного накопителя электромагнитной энергии проиллюстрирован на фиг. 1.
i
S
S
W
E
Индуктивный накопитель энергии L запитывают от источника тока Q. В качестве источника тока могут использоваться, например, конденсаторные батареи или взрыво-магнитные (магнитокумулятивные) генераторы. По окончании запитки электрический контур индуктивного накопителя разрывают с помощью взрывного или электровзрывного открывающего ключа (размыкателя тока) R(t). При срабатывании открывающего ключа R(t) генерируется импульс напряжения, прикладываемый между электродами 1 и 2 разрядника G с изоляцией 3 из конденсированного диэлектрика (в случае, если в начальном состоянии в нагрузке Z имеется разрыв, его шунтируют с помощью дополнительного сопротивления R). Происходит пробой разрядника и замыкание индуктивного накопителя на нагрузку.
r
S
S
S
S
G
r
S
Пробой разрядника осуществляют в режиме локализованного усиления напряженности электрического поля в прикатодной зоне диэлектрика 3. В данном случае прикатодная зона локализованного усиления поля возникает вблизи острых концов дополнительных игольчатых электродов 4, внедренных в диэлектрик 3 и закрепленных на электроде 2, который является катодом разрядника. Для твердого диэлектрика наличие локализованного прикатодного усиления электрического поля препятствует развитию электронных лавин, формирующих каналы пробоя в диэлектрике. Это приводит к снижению скорости ν продвижения каналов от катода 2 к аноду 1 и к задержке пробоя на время τ относительно момента достижения пробивного напряжения. Задержка пробоя, как указывалось ранее, имеет место и в жидких диэлектриках. Однако ее физические механизмы более разнообразны (см. [9] - с 202-238). За время задержки межэлектродная разность потенциалов возрастает по сравнению с уровнем пробивного напряжения U на величину ΔU=<dU/dt>⋅τ, где <dU/dt> - средняя скорость изменения напряжения U(t), генерируемого открывающим ключом, за время задержки. В результате к моменту замыкания электродов разрядника напряжение достигает величины U=U+ΔU, т.е. возникает перенапряжение на изоляции разрядника, что увеличивает глубину и скорость последующего падения сопротивления канала пробоя и тем самым сокращает время переключения тока в нагрузку. Кроме того, наличие игольчатых электродов устраняет влияние на пробой случайных факторов, связанных с искажениями электрического поля на неоднородностях диэлектрика, чем улучшает стабильность коммутации.
S
Отметим, что чем больше уровень перенапряжений, тем выше вероятность многоканального пробоя в случае, если игольчатых электродов 4 установлено несколько. При относительно невысоких перенапряжениях пробой будет носить одноканальный характер. Кроме того, в соответствии с [3] - с. 244 - для возникновения многоканального пробоя небходимо, чтобы скорость нарастания напряжения удовлетворяла эмпирическому условию dU/dt≥1 МВ/мкс.
i
i
W
Проведена экспериментальная проверка заявляемого способа. Схема эксперимента представлена на фиг. 2. В качестве источника тока для запитки индуктивного накопителя L электромагнитной энергией использовалась конденсаторная батарея емкостью С=492 мкФ, заряжаемая до напряжения 43 кВ. Накопитель имел индуктивность L = 100 нГн. Открывающий ключ представлял собой электровзрывной размыкатель тока 5, выполненный из медной фольги длиной 60 см, шириной 32 см и толщиной 15 мкм по аналогии с известным техническим решением, представленным в [19]. Межэлектродная диэлектрическая изоляция 3 разрядника G была выполнена из полиэтилена. Катод 2 разрядника имел игольчатый электрод 4, внедряемый в изоляцию 3 с регулируемым зазором относительно анода I, который был установлен равным 0.7 мм. Индуктивность нагрузки L составляла 10 нГн.
G
r
В результате разряда конденсаторной батареи в индуктивный накопитель вводился ток, нарастающий за 3.1 мкс до 1.23 МА, который затем переключался в нагрузку в процессе электровзрыва фольги открывающего ключа и последующего пробоя разрядника. Реализованный режим коммутации позволил осуществить пробой разрядника при значительном перенапряжении на его изоляции: U=137 кВ = (2-3.5)⋅U (разброс в оценке обусловлен существенным варьированием характеристик технического полиэтилена). Полученные экспериментальные кривые переключения тока из индуктивного накопителя в нагрузку и импульса напряжения на нагрузке представлены на фиг. 3 и 4, соответственно. Фронт нарастания импульса напряжения составил 10-13 нс (фиг. 4), фронт нарастания импульса тока до уровня 0.8 МА - примерно 100 нс (фиг. 3).
Таким образом, характерное время нарастания тока в нагрузке удалось сократить по сравнению с прототипом в 2-4 раза.
Дополнительно достигаемый эффект снижения разброса пробивного напряжения разрядника в однотипных условиях его коммутации является сопутствующим и имеет, как уже указывалось, известное экспериментальное подтверждение (см., например, [3] - с. 244).
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Н.С. Early, F.J. Martin. Method of Producting a Fast Current Rise fromEnergy Storage Capacitors // Rev. Sci. Instrum. V. 36. N. 7, 1965, P. 1000-1002.
2. Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. Москва, изд. «Мир», 1972.
3. Г.А. Месяц. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004.
4. А.М. Buyko, N.P. Bidylo, V.K. Chernyshev, V.A. Demidov et. al. Results of Russian/US High-Performance DEMG Experiment. IEEE Transactions of Plasma Science, Vol. 25, №2, 1997, P. 145-154.
5. A.M. Buyko, V.A. Vasyukov, Yu. N. Gorbachev, В.T. Yegorychev et.al. Results of the joint VNIIEF/LANL experiment ALT-2 modeling the "ATLAS" facility parameters by means of disk EMG // Proceedings of IX-th International Conference on Megagauss Physics and Technology / Eds. V.D. Selemir, L.N. Plyashkevich - Sarov, RUSSIA, VNHEF, 2004, P. 752-756.
6. В.К. Чернышев, В.H. Мохов. О прогрессе в создании мощных взрывомагнитных источников энергии для магнитного обжатия термоядерной мишени. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Математическое моделирование физических процессов. Выпуск 4, 1992, с. 23-32.
7. В.К. Чернышев, М.С. Протасов, В.А. Шевцов и др. Взрывомагнитные генераторы семейства "Поток". Вопросы атомной науки и техники. Серия: Математическое моделирование физических процессов. Выпуск 4, 1992, с. 33-41.
8. В.А. Демидов, В.И. Скоков. Двухкаскадный размыкатель тока для формирования высоковольтного импульса напряжения с фронтом 0,1 мкс // Труды седьмой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Под ред. В.К. Чернышева, В.Д. Селемира, Л.Н. Пляшкевича - Сэров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997, с. 379-380.
9. Г.А. Воробьев, Ю.П. Похолков, Ю.Д. Королев, В.И. Меркулов. Физика диэлектриков (область сильных полей). Учебное пособие - Томск: изд. ТПУ, 2003.
10. И.Ф. Пунанов, Р.В. Ермилин, В.Д. Куликов, С.О. Чолах. Сопротивление канала импульсного электрического пробоя в ионных кристаллах. ЖТФ, 2014, т. 84, вып. 4.
11. Ю.Н. Вершинин. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург: изд. УрО РАН, 2000.
12. Р.В. Ермилин, В.А. Белоглазов. Труды 6-й научной школы "Физика импульсного воздействия на конденсированные среды". Николаев, 1993. С. 195.
13. В.В. Кремнев, Г.А. Месяц. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. - Новосибирск: изд. "Наука", сибирское отделение, 1987.
14. Б.И. Сажин, А.М. Лобанов, О.С. Романовская, М.П. Эйдельмант, С.Н. Койков. Электрические свойства полимеров. Изд. 2-е, пер. Л., "Химия", 1977.
15. Ю.Н. Вершинин. Соотношение скоростей электрического разряда и звука в твердом диэлектрике. ЖТФ. 1989. Т. 59, вып. 2, с. 158-160.
16. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991, с. 148.
17. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1987, с. 83.
18. Г.А. Месяц, А.С. Насибов, В.В. Кремнев. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М., «Энергия», 1970, с. 123-125.
19. V.K. Chemyshev, А.I. Kucherov, А.В. Mezhevov, A.A. Petrukhin, V.V. Vakhrushev. Electroexplosive foil 500 kV current opening switch characteristics research // Digest of technical papers: 11-th IEEE International Pulsed Power Conference. V II, 1997, P. 1208-1212.