МНОГОМОДУЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ МУЛЬТИТЕРАВАТТНОЙ МОЩНОСТИ
MULTI-MODULE GENERATOR OF HIGH-VOLTAGE PULSES WITH MULTI-TERAWATT POWER

Изобретение относится к высоковольтной мощной импульсной технике и может быть использовано в качестве системы энергоснабжения установок для исследований в различных областях физики высоких плотностей энергии.
Для ряда применений в области радиационной физики и физики плазмы требуются мощные (десятки ТВт) сильноточные (десятки МА) генераторы электромагнитных импульсов длительностью 10-100 нс. Это весьма дорогие и крупногабаритные электрофизические установки с характерным размером несколько десятков метров. Обычно в установках подобного класса используется до нескольких десятков параллельно включенных типовых модулей. Использование полностью автономных модулей, расположенных в отдельных корпусах, значительно снижает объем повреждений при аварийной работе установки, когда в одном из модулей происходит электрический пробой высоковольтной изоляции. Следует отметить, что далеко не каждая установка с подходящими параметрами может быть использована в качестве такого модуля. К модулям предъявляются жесткие требования по разновременности их включения по отношению друг к другу, которая должна находиться в пределах нескольких не. В случае работы модулей установки на автономные вакуумные диоды данные требования обусловлены необходимостью получения сравнительно короткого импульса излучения, а также требованиями к однородности поля излучения. В случае работы модулей на единую лайнерную нагрузку в режиме генерации импульса мягкого рентгеновского излучения данное требование обусловлено тем, что увеличение разновременности срабатывания модулей приводит к существенному уменьшению энерговклада в нагрузку.
Известна конструкция многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности DECADE (Sincerny P., Ashby S., Childers K. et al. The DECADE High Power Generator. 9-th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, - 1993. - V.2. - PP.880-883.). Это мощный генератор, предназначенный для получения импульсов тормозного излучения при использовании матрицы из автономных вакуумных диодов, а также генерации мягкого рентгеновского излучения при работе на общую для всех модулей плазменную нагрузку. Установка DECADE состоит из 16 автономных типовых модулей, включенных параллельно с синхронизацией их работы. Модули размещены в пределах полуокружности на двух вертикальных уровнях.
2
Модуль установки DECADE построен по схеме с индуктивно-емкостным накоплением энергии. Каждый такой модуль содержит генератор импульсных напряжений, промежуточный емкостной накопитель энергии, состоящий из 32 коаксиальных линий с водяной изоляцией, многоканальный коммутатор, состоящий из 6 управляемых газонаполненных разрядников, водяную коаксиальную передающую линию (ВПЛ), короткий отрезок масляной линии, ускорительную трубку, отделяющую масляную линию от вакуумной части модуля. В вакуумной части располагается индуктивный накопитель энергии, выполненный в виде вакуумной коаксиальной магнитоизолированной передающей линии (МИПЛ) длиной 3,5 м. Прямой участок МИПЛ имеет волновое сопротивление 5 Ом, изогнутый - 7,5 Ом. Изогнутость необходима для формирования однородного поля тормозного излучения на площади 1×1 м путем создания мозаичной структуры из 16 диодов. На конце изогнутого участка МИПЛ расположен плазменный прерыватель тока (ППТ). При размыкании ППТ энергия передается либо в независимый вакуумный диод, либо через вакуумное конволютное соединение все 16 модулей подключаются к единой плазменной нагрузке.
Параметры шестнадцатимодульного генератора DECADE в режиме работы модулей на автономные вакуумные диоды: максимальное напряжение на диодах 1,8 MB, суммарный ток электронных пучков 22 МА, энергия пучков 2,5 МДж, мощность 35 ТВт.
Недостатком установки является использование в схеме формирования выходного электромагнитного импульса ППТ, который по сути своей является неуправляемым коммутатором. Момент размыкания тока в ППТ изменяется путем подбора количества источников плазмы, режима их работы, задержкой между инжекцией тока и началом тока через ППТ и т.д. Использование ППТ приводит к сложности синхронизации модулей между собой, и к сравнительно большому разбросу времени их срабатывания. На модуле установки DECADE достигнут среднеквадратичный разброс времени срабатывания модулей ±8 нс при длительности импульса тормозного излучения на полувысоте 40 нс.
В качестве прототипа выбрана конструкция многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераватгной мощности установки «Ангара-5-1» (З.А. Альбиков, Е.П. Велихов, А.И. Веретенников и др. Экспериментальный комплекс «Ангара-5-1», Атомная энергия, 1990, т.68, вып.1., с.26-35). Генератор высоковольтных импульсов установки «Ангара-5-1», предназначенной для генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения, состоит из восьми автономных типовых модулей, включенных параллельно, работающих независимо друг от друга, с синхронизацией их включения и расположенных равномерно по окружности.
Каждый модуль содержит генератор импульсных напряжений, систему формирования высоковольтных импульсов, выполненную по схеме двойной формирующей линии (ДФЛ) с водяной изоляцией с пятью управляемыми газонаполненными коммутаторами, неуправляемый газонаполненный предымпульсный коммутатор, состоящий из одного разрядника, расположенного на оси ДФЛ и работающего в режиме самопробоя, водяную коаксиальную передающую линию, ускорительную трубку с секционированным изолятором, отделяющим объем, заполненный жидким диэлектриком от вакуумного объема, и магнитоизолированную передающую линию.
Коаксиальные МИПЛ всех модулей генератора сходятся на общую дисковую вакуумную линию для подвода энергии к лайнерной нагрузке, расположенной в центре устройства. Параметры восьмимодульного генератора установки «Ангара-5-1»: максимальное напряжение на согласованной нагрузке 1,5 MB, длительность импульса напряжения на полувысоте 90 нс, максимальный ток в согласованной нагрузке 6 МА, максимальная мощность 9 ТВт, энергия 0,65 МДж.
К недостаткам устройства следует отнести использование на выходе системы формирования высоковольтных импульсов неуправляемого газонаполненного предымпульсного разрядника, работающего в режиме самопробоя, что приводит к увеличению разброса времени срабатывания модулей. Средиеквадратичный разброс времени появления импульса в начале водяной передающей линии в 51% импульсов составляет 15 нс.
Решаемой задачей данного изобретения является возможность создания многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности с синхронной работой всех модулей.
Техническим результатом при решении данной задачи является уменьшение разброса времени срабатывания модулей мультитераваттного генератора.
Указанный технический результат достигается тем, что многомодульный генератор высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности состоит из автономных типовых модулей, включенных параллельно с синхронизацией их работы, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один генератор импульсных напряжений, систему формирования высоковольтных импульсов на основе линий с водяной изоляцией с управляемым многоканальным коммутатором, водяную передающую линию, предымпульсный коммутатор на входе водяной передающей линии, ускорительную трубку с секционированным изолятором, отделяющим объем, заполненный жидким диэлектриком от вакуумного объема, и магнитоизолированную передающую линию. Отличительной особенностью данного генератора является то, что система формирования высоковольтных импульсов модуля выполнена на основе двойной ступенчатой формирующей линии (ДСФЛ), а предымпульсный коммутатор состоит из управляемых разрядников, срабатывающих на спаде первой, положительной полуволны напряжения, формируемого ДСФЛ, причем внутренний заземленный электрод ДСФЛ образует приосевую полость, в которой проложены кабели запуска разрядников предымпульсного коммутатора. Управляемые разрядники представляют собой газонаполненные разрядники тригатронного типа, установленные равномерно по окружности в отдельном корпусе, заполненном трансформаторным маслом.
В случае, когда модули заявляемого генератора работают на отдельные вакуумные диоды для генерации мощных импульсов тормозного излучения уменьшение разброса времени срабатывания модулей необходимо для получения однородного поля тормозного излучения (ТИ). Увеличение разброса времени срабатывания модулей при использовании общей для всех модулей лайнерной нагрузки приводит к уменьшению суммарного энерговклада в нагрузку. Поэтому при создании многомодульного мультитераваттного генератора необходимо обеспечивать минимально возможный разброс времени срабатывания его модулей. Использование в составе модуля только управляемых разрядников, включаемых с наносекундной точностью при поступлении к ним высоковольтных пусковых сигналов от системы синхронизации позволяет обеспечить минимально возможный разброс времени срабатывания модулей. Под управляемостью понимается возможность контролируемого запуска разрядника в широком диапазоне рабочих напряжений при выбранном составе и давлении газовой смеси.
Система формирования высоковольтных импульсов выполнена на базе ДСФЛ, состоящей из четырех отрезков однородных коаксиальных линий с водяной изоляцией приблизительно равной электрической длины ~50 нс. Линии уложены последовательно по радиусу в пределах одного осевого размера с целью уменьшения общей длины модуля. При этом заземленный электрод внутренней линии образует приосевую полость, радиальный размер которой позволяет проложить кабели запуска разрядников предымпульсного коммутатора.
На фиг.1 представлена компоновочная схема заявляемого многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности.
На фиг.2 показан вид модуля в разрезе, где:
1 - система формирования высоковольтных импульсов на основе ДСФЛ;
2 - многоканальный коммутатор системы формирования высоковольтных импульсов;
3 - предымпульсный коммутатор;
4 - кабели запуска разрядников предымпульсного коммутатора;
5 - водяная передающая линия;
6 - ускорительная трубка;
7 - магнитоизолированная передающая линия;
8 - ГИН.
На фиг.3 приведен график напряжения на выходе ДСФЛ, где А, Б, В - это моменты запуска предымпульсного коммутатора в различных режимах работы модуля. Экспериментально было получено, что в режиме работы генератора на нагрузку с запуском управляемых разрядников предымпульсного коммутатора на спаде первой, положительной полуволны напряжения, формируемого ДСФЛ, т.е. в момент времени, соответствующий точке Б, достигается среднеквадратичный разброс времени срабатывания модуля ±3 нс.
Многомодульный генератор высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности состоит из автономных типовых модулей, включенных параллельно, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один генератор импульсных напряжений 8, систему формирования высоковольтных импульсов 1 на основе линий с водяной изоляцией с управляемым многоканальным коммутатором 2, предымпульсный коммутатор 3, водяную передающую линию 5, ускорительную трубку 6 с секционированным изолятором, отделяющим объем, заполненный жидким диэлектриком от вакуумного объема, и магнитоизолированную передающую линию 7.
Система формирования высоковольтных импульсов 1 модуля выполнена на основе двойной ступенчатой формирующей линии, а предымпульсный коммутатор 3 выполнен в виде блока управляемых газонаполненных разрядников тригатронного типа, установленных равномерно по окружности на входе водяной передающей линии 5, причем внутренний заземленный электрод двойной ступенчатой формирующей линии образует приосевую полость, в которой проложены кабели запуска 4 разрядников предымпульсного коммутатора 3.
Модуль работает следующим образом. Четыре каскада ДСФЛ за время ≤0,9 мкс заряжаются до напряжения 1,0 MB от двух одинаковых включенных параллельно генераторов Аркадьева - Маркса с суммарным энергозапасом 160 кДж. При достижении максимального зарядного напряжения линий включается многоканальный коммутатор ДСФЛ. В результате волновых процессов на выходе ДСФЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности, рабочим является второй импульс. В требуемый момент времени подаются пусковые импульсы на многоканальный предымпульсный коммутатор. При срабатывании предымпульсного коммутатора энергия из ДСФЛ по ВПЛ передается к ускорительной трубке и далее по МИПЛ к нагрузке (автономные вакуумные диоды или единая лайнерная нагрузка).
Рассмотрим пример конкретной реализации устройства. Генератор состоит из 16 полностью автономных модулей, расположенных радиально в пределах окружности диаметром ~30 м. Каждый модуль включает в себя (по мере продвижения от периферии к центру установки) два генератора Аркадьева-Маркса, систему формирования высоковольтных импульсов, систему передачи электромагнитной энергии и нагрузку в виде сильноточного вакуумного диода. Диоды модулей образуют мозаичную структуру в горизонтальной плоскости для облучения объектов большой площади.
6
2
Система формирования высоковольтных импульсов 1 построена по схеме пятикаскадной ДСФЛ с водяной изоляцией. В идеальном случае данная схема обеспечивает в согласованном режиме работы повышение напряжения в 2,6 раза по сравнению с зарядным напряжением. Коммутация ДСФЛ осуществляется с помощью многоканального коммутатора 2, состоящего из 36 управляемых газонаполненных разрядников, расположенных на внешнем корпусе ДСФЛ. Диаметр корпуса ДСФЛ составляет 2,5 м, осевая длина 2,8 м. В выходной каскад ДСФЛ встроен преобразователь длительности, обеспечивающий повышение в ~2 раза мощности формируемого импульса за счет сокращения в такое же число раз его длительности. Предымпульсный коммутатор 3 установлен на выходе ДСФЛ в отдельном корпусе, заполненном трансформаторным маслом. Он состоит из 6 газонаполненных управляемых разрядников. Разрядники предымпульсного коммутатора заполняются смесью, состоящей из 40% элегаза (SF) и 60% азота (N). Давление газовой смеси при зарядном напряжении ДСФЛ 1,0 MB составляет 24 ати. Управляющие сигналы от системы синхронизации к разрядникам подаются по пусковым кабелям 4, уложенным в приосевой полости, образованной внутренним заземленным электродом ДСФЛ. Система передачи энергии состоит из водяной передающей линии (ВПЛ) 5 и магнитоизолированной передающей линии (МИПЛ) 6. ВПЛ с диаметрами электродов 1070 мм и 690 мм, состоит из прямого и поворотного участков, причем угол поворота выбирается из условия формирования мозаичной структуры диодов в горизонтальной плоскости. ВПЛ и МИПЛ разделяются секционированным изолятором, имеющим диаметр 480 мм и суммарную высоту колец 490 мм. Средняя расчетная напряженность электрического поля на поверхности изолятора не превышает 55 кВ/см. МИПЛ представляет собой прямую цилиндрическую вакуумную линию с диаметрами электродов 200 мм и 168,3 мм длиной ~1,8 м. На конце МИПЛ устанавливается сильноточный вакуумный диод с кольцевым катодом и плоским анодом из танталовой фольги.
На предприятии были проведены испытания модуля установки. В диодной нагрузке модуля при граничной энергии электронов 2,0 МэВ были получены пучки с током 0,75 МА, максимальной мощностью 1,5 ТВт и энергией в импульсе 80 кДж, длительность импульса ТИ 45 нс. Среднеквадратичный разброс времени появления импульса ТИ относительно пускового импульса не превышает ±3 нс. Таким образом, для шестнадцатимодульной установки можно рассчитывать на следующие параметры: граничная энергия электронов 2,0 МэВ, суммарный ток электронных пучков 12 МА, мощность 24 ТВт, энергия 1,3 МДж.