СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА ТОКА В ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКЕ
METHOD FOR FORMING CURRENT PULSE IN INDUCTIVE LOAD

Изобретение относится к сильноточной коммутационной технике и может быть использовано для формирования в индуктивных нагрузках мегаамперных импульсов тока со временем нарастания менее микросекунды.
В частности, изобретение может быть использовано для обострения импульса тока лабораторных и взрывных электрофизических установок, способных обеспечивать запитку, например, динамических Z-пинчей, являющихся мощным источником МРН. Мощность излучения плотной высокотемпературной плазмы пинча растет с увеличением амплитуды и с уменьшением длительности фронта импульса тока, проходящего через дайнерную нагрузку. Для запитки Z-пинчей мегаамперными импульсами тока длительностью менее одной микросекунды альтернативой лабораторным установкам на основе конденсаторных батарей являются сравнительно быстро и легко изготавливаемые, относительно компактные и недорогие взрывомагнитные генераторы (ВМГ) электрической энергии, оснащаемые устройствами формирования тока в нагрузке. В качестве основных элементов таких устройств могут использоваться электровзрывной размыкатель тока (ЭВРТ) и замыкающий ключ.
Явление, известное в физике как электрический взрыв проводника (ЭВП), представляет собой резкое изменение его физического состояния под действием импульсного электрического тока большой плотности, приводящее к исчезновению металлической электропроводности и сопровождающееся характерными для электрических взрывов эффектами - излучением и образованием ударных волн [В.А. Бурцев. Н.В. Калинин. В.Н. Литуновский. Электрический взрыв проводников. Обзор ОК-17. Л.: ННИЭФА. - 1976. - 120 с.]. Принцип ЭВП заложен в основу работы ЭВРТ. По сравнению с другими типами размыкателей ЭВРТ отличается простотой конструкции и низкой собственной индуктивностью. Его рабочим телом является электрически взрывающаяся фольга или проволочки, расположенные в диэлектрической (дугогасящей) среде. В процессе работы устройства ток сначала протекает через рабочее тело ЭВРТ по первичному разрядному контуру. В результате джоулева нагрева рабочее тело испытывает фазовые превращения, в конечном счете приводящие к резкому росту его сопротивления (собственно стадия электровзрыва), к повышению напряжения на замыкающем ключе и, как следствие, пробою его изоляции и подключению вторичного контура нагрузки.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков способа, присуща известному способу формирования токового импульса в индуктивной нагрузке, описанному в работе [В.Л. Демидов, В.И. Скоков, Двухкаскадный размыкатель тока для формирования высоковольтного импульса напряжения с фротом 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 - Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997. с. 379-380].
Способ реализуют с помощью устройства, в котором в качестве источника электрической энергии применяется спиральный ВМГ, снабженный взрывным размыкателем тока. Первичный разрядный контур состоит из указанного источника электрической энергии и открывающего ключа, разрывающего этот контур. Открывающий ключ представляет собой ЭВРТ, выполненный из медной фольги толщиной 17-20 мкм. свернутой в виде цилиндра на диаметре 130 мм. Нагрузка индуктивностью 10 нГн подключается параллельно первичному разрядному контуру через разрядник с лавсановым изолятором.
Способ формирования импульса тока в нагрузке в известном способе заключается в разрыве первичного разрядного контура источника электрической энергии с помощью ЭВРТ и подключении вторичного контура нагрузки посредством электрического пробоя изоляции замыкающего ключа (разрядника) при срабатывании ЭВРТ, причем электрический пробой возникает исключительно в результате воздействия импульса напряжения на изоляцию замыкающего ключа, представляющую собой тонкую лавсановую пленку. При этом толщину межэлектродной изоляции разрядника выбирают таким образом, чтобы се пробой происходил при напряжении соответствующем моменту начали процесса электровзрыва фольги.
В известном способе сначала реализуется процесс магнитной кумуляции в компрессионном контуре ВМГ. По его окончании инициируют взрывной размыкатель тока, который размыкает контур ВМГ и создает в первичном разрядном контуре импульс тока около 2 МА с фронтом нарастания ~1 мкс. Под его действием происходит нагрев фольги ЭВРТ, сопровождающийся ростом ее сопротивления, вследствие чего на разряднике генерируется импульс напряжения. Толщина фольги подбирается таким образом, чтобы резкий рост ее сопротивления, характерный для завершающей стадии нагрева фольги, переходящей в стадию ее электровзрыва, происходил до максимума тока в первичном разрядном контуре. В момент электровзрыва фольги ЭВРТ импульс напряжения на межэлектродном зазоре разрядника за время ~0.1 мкс достигает максимального значения 183 кВ и происходит пробой лавсанового изолятора. При этом осуществляется подключение вторичного контура нагрузки, в результате которого из первичного разрядного контура с током амплитудой ≈2 МА в нагрузку индуктивностью 10 нГн перебрасывается импульс тока амплитудой ≈1,15 МА.
11
11
11
12
12
12
12
Основным недостатком известного способа, принятого за прототип, является относительно высокие конечные значения сопротивления и индуктивности разрядника, приводящие к тому, что в контуре нагрузки формируется импульс тока с амплитудой приблизительно в два раза меньшей амплитуды тока в первичном разрядном контуре. Высокие конечные значения сопротивления и индуктивности разрядника обусловлены формированием ограниченного количества каналов пробоя в лавсановом изоляторе. Так, из экспериментов известно [Г.А. Месяц, Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука. 2004, С. 243-245], что в подобных устройствах, со скоростями нарастания напряжения в диапазоне от 10 В/с и выше, число каналов пробоя зависит от величины dU/dt. При подаче на электроды напряжения со скоростью нарастания ниже пороговой, dU/dt<10 В/с, образуется только один канал. С увеличением скорости нарастания в диапазоне 10-10 В/с число каналов пробоя возрастает и при dU/dt>10 В/c достигает максимального значения, равного числу неоднородностей в твердотельном изоляторе. Однако, в известном способе требование к скорости нарастания напряжения dU/dt>10 В/с трудно достижимо. Кроме того, удовлетворение условия многоканальности пробоя dU/dt>10 В/с не позволяет работать при максимальных напряжениях, достигнутых в процессе работы ЭВРТ, поскольку в точке максимума напряжения dU/dt=0.
Также к недостаткам известного способа следует отнести разброс момента срабатывания разрядника, который может приводить к разбросу от опыта к опыту времени нарастания импульса тока в нагрузке. Причина такой нестабильности состоит в том, что при пробое различных промышленных образцов лавсанового изолятора имеет место 30-процентный разброс пробивного напряжения [Физические величины: Справочник. Под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. - М.; Энергоатомиздат. 1991, Стр. 550], связанный с наличием в нем микродефектов, неоднородностей и посторонних микровключений, влияющих на его электропрочность.
Техническом проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа обострения импульса тока лабораторных и взрывных электрофизических установок, с помощью которого можно формировать в индуктивной нагрузке метаамперный импульс тока со временем нарастания менее микросекунды.
12
Техническим результатом заявляемого изобретения является реализация многоканальности и азимутальной однородности подключения контура нагрузки при скорости нарастания напряжения на замыкающем ключе <10 В/с, что обеспечивает низкие конечные омическое сопротивление и индуктивность замыкающего ключа, необходимые для эффективной (с минимальной потерей в амплитуде тока) коммутации мегаамперного импульса тока источника электрической энергии в нагрузку. Дополнительно обеспечивается снижение разброса момента срабатывания замыкающего ключа.
Технический результат по способу формирования импульса тока в нагрузке достигается тем, что в разработанном способе, заключающемся в разрыве первичного разрядного контура источника электрической энергии с помощью ЭВРТ и подключении вторичного контура нагрузки посредством электрического пробоя твердотельной изоляции замыкающего ключа при срабатывании ЭВРТ, новым является то, что располагают рабочее тело ЭВРТ в контакте с твердотельной изоляцией замыкающего ключа таким образом, что электрический пробой возникает в результате совместного воздействия на изоляцию замыкающею ключа импульса напряжения и импульса давления ударной волны, генерируемой при электрическом взрыве рабочего тела ЭВРТ.
В качестве источника электрической энергии, используемого для формирования импульса тока в нагрузке, могут применяться конденсаторные батареи либо ВМГ.
Сущность заявляемого способа поясняется, как пример, эквивалентной электрической схемой на Фиг. 1, где обозначены основные функциональные элементы: ИЭ - источник электрической энергии (конденсаторные батареи); ЭВРТ - электровзрывной размыкатель тока: ЗК - замыкающий ключ, состоящий из электродов - 1, фольги - 2 и пленочного изолятора - 3: Lн - индуктивная нагрузка.
Способ реализован с помощью устройства формирования импульса тока в нагрузке, которое содержит два разрядных контура, запитываемых источником электрической энергии на основе конденсаторных батарей. Вторичный контур нагрузки включает в себя источник электрической энергии, замыкающий ключ и нагрузку Lн. Первичный разрядный контур включает в себя источник электрической энергии и ЭВРТ. Основным функциональным элементом первичного разрядного контура является ЭВРТ, рабочее тело которого представляет собой алюминиевую фольгу 2 толщиной более 7 мкм, обернутую вокруг диэлектрического стержня и являющейся продолжением боковой поверхности цилиндрического потенциального электрода. Поверх алюминиевой фольги 2 намотана лавсановая пленка 3 толщиной более 20 мкм, служащая изолятором замыкающего ключа. Нагрузка Lн представляет собой индуктивный проводник в виде диска с отверстием, внутри которого расположен замыкающий ключ.
12
При работе устройства по заявленному способу ток от источника электрической энергии вначале притекает по первичному разрядному контуру через алюминиевую фольгу ЭВРТ. В результате джоулева нагрева фольга испытывает электровзрыв, приводящий к резкому росту сопротивления ЭВРТ и к повышению напряжения на замыкающем ключе. Размещение части фольги ЭВРТ в зазоре замыкающего ключа под изолятором из лавсановой пленки приводит к тому, что электровзрыв фольги вызывает генерацию ударной волны в изоляторе замыкающего ключа, которая механически воздействуя на него, обуславливает резкое снижение его электропрочности [А.Н. Григорьев. А.В. Павленко «Влияние скорости ввода энергии (индуктивности контура) на генерацию ударной волны и импульса перенапряжения при электрическом взрыве фольги. Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №3. с. 50-53. Совместное действие на изолятор замыкающего ключа импульсов напряжения и ударной волны приводит к эффективной (с минимальной потерей в амплитуде тока) коммутации мегаамперного импульса тока в нагрузку, которая реализуется вследствие многоканальности и азимутальной однородности пробоя изолятора замыкающего ключа даже в условиях dU/dt<10 В/с. При электровзрыве фольги ЭВРТ наряду с воздействием на изолятор замыкающею ключа импульсов напряжения и ударной волны происходит дополнительная подсветка изолятора, также способствующая эффективной коммутации тока в контур нагрузки.
На Фиг. 2 приведены осциллограммы импульсов тока, полученные с помощью поясов Роговского, где а - ток в первичном разрядном контуре 1: б - ток во вторичном контуре нагрузки: в - ток источника электрической энергии. В результате разряда конденсаторных батарей в первичный разрядный контур вводится ток, нарастающий за 750 нс до 550 кА. Затем в результате электровзрыва фольги замыкающего ключа и последующего пробоя разрядника подключаем контур нагрузки. В контуре нагрузки формируется импульс тока, растущий за время 300 нс до величины ≈760 кА, при этом потери тока составили около 10%. В момент достижения своего максимального значения весь ток источника энергии протекает через контур нагрузки.