СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВЗРЫВОМАГНИТНОГО ФОРМИРОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСА ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF ADJUSTING PARAMETERS OF CURRENT PULSE MAGNETIC BLAST GENERATOR OUTPUT VOLTAGE AND DEVICE TO THIS END (VERSIONS)

Изобретение относится к области экспериментальной физики, в частности к взрывным импульсным источникам энергии с формированием импульса тока мегаамперного уровня с возможностью регулирования выходного напряжения и может быть использовано, например, для исследования свойств высокотемпературной плазмы, для запитки газоразрядных камер типа «плазменный фокус».
th
Известны способ и устройство для его осуществления, позволяющие формировать в нагрузке импульс тока мегаамперного уровня на основе использования спирального взрывомагнитного генератора (СВМГ) и взрывного обострителя тока (ВОТ), описанные в работе V.K.Chernyshev et al “Explosive Opening Switches for Fast Operation Helical EMGs”. In: Proceedings the 9 IEEE International Pulsed Power Conference, Albuquerque, 1993, p.216-219. С помощью сжатия магнитного потока в контуре СВМГ накапливается электромагнитная энергия, и в момент максимального значения тока за счет разрушения участка конечного электрического контура СВМГ с помощью ВОТ в нагрузке формируются импульсы тока и напряжения. В этой конструкции взрывного формирователя импульсов тока ВМФИТ (импульсного источника тока) в обострителе заряд взрывчатого вещества (ВВ) вынесен за пределы контура сжатия СВМГ, за счет чего удалось существенно уменьшить собственную индуктивность ВОТ и использовать заряд ВОТ не только для разрыва, но и для дополнительного сжатия магнитного потока конечного контура СВМГ, и тем самым повысить коэффициент усиления тока СВМГ. Недостатком этого способа и устройства для формирования импульса тока является отсутствие возможности регулирования формы выходного напряжения.
Этот недостаток частично был устранен в другой конструкции, описанной в работе V.K.Chernyshev et al “Explosive Magnetic Energy Source Operation Peculiarities on a Liner Drive by a 15 MA Current”, Proceedings of Ninth International Conference on Megagauss Field Generation and Related Topics. Sarov, VNIIEF, 2004, p.314-315. В этой конструкции регулирование амплитуды выходного напряжения импульсного источника тока осуществляется за счет изменения симметрии детонационного фронта заряда ВВ обострителя на поверхности, контактирующей с разрушаемым проводником. Инициирование заряда ВВ в обострителе осуществлялось ступенями последовательно вдоль направления тока с задержкой инициирования в 1 мкс в каждой ступени.
Недостатком этого способа и устройства является отсутствие возможности регулирования формы выходного напряжения импульсного источника тока (регулируется только амплитуда выходного напряжения). В этом импульсном источнике тока форма выходного напряжения имеет колоколообразный вид. С увеличением асимметрии детонационного фронта заряда ВВ обострителя амплитуда выходного напряжения уменьшается, а время нарастания тока в нагрузке возрастает.
Наиболее близким к заявляемому является способ регулирования параметров выходного напряжения взрывомагнитного формирователя импульса тока и конструкция для реализации способа, описанные в работе: Г.И.Волков и др. «Схема умножения напряжения на взрывных обострителях тока» в трудах Седьмой Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Саров, ВНИИЭФ, 1997, с.367-369.
Способ регулирования параметров выходного напряжения взрывомагнитного формирователя импульса тока включает разбиение его конечного контура сжатия на ряд отдельных контуров-секций, которые в момент формирования импульса напряжения соединяются последовательно. При этом амплитуда выходного напряжения равна напряжению, полученному на одной секции, умноженному на число секций, и форма выходного напряжения соответствует форме напряжения на одной секции.
Взрывомагнитный формирователь импульса тока содержит взрывной обостритель тока, электрическая цепь которого является конечным контуром сжатия СВМГ и выполнена в виде последовательно соединенных секций, заключенных между наружным и внутренним токопроводом, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования для размыкания и дополнительного сжатия конечного контура, вынесенный за пределы контура сжатия, и нагрузку, подключенную к концам наружного и внутреннего токопровода, причем каждая секция включает в себя разрушаемый проводник, установленный между диэлектрическим струегасителем и струеформирователем с кумулятивными пазами на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, причем разбивка на отдельные секции обеспечена с помощью замыкающих электродов, установленных между участками струеформирователя.
Недостатком способа и устройства по прототипу являются ограничения, связанные с регулированием выходного напряжения импульсного источника тока.
При создании изобретения решалась задача - разработать взрывной импульсный источник тока с регулированием выходного напряжения в пределах 10…200 кВ на входе нагрузки индуктивностью 10…100 нГн с характерным временем нарастания 0,5…10 мкс.
При решении данной задачи техническим результатом является регулирование выходного напряжения импульсного источника тока по форме и по амплитуде за счет того, что на каждой из последовательно соединенных секций ВОТ формирование напряжения происходит с заранее заданным временным сдвигом относительно соседней.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом регулирования параметров выходного напряжения взрывомагнитного формирователя импульса тока, включающим разбиение его конечного контура сжатия на ряд отдельных последовательно соединенных контуров-секций, новым является то, что регулируют форму и величину выходного напряжения путем обеспечения временного сдвига формирования напряжения на каждом контуре-секции относительно соседней.
Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что по сравнению с известным устройством для формирования импульса тока, содержащим взрывной обостритель тока, который выполнен в виде последовательно соединенных секций, заключенных между наружным и внутренним токопроводами, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, источник питания и нагрузку, подключенную к концам наружного и внутреннего токопроводов, причем каждая секция включает в себя разрушаемый проводник, установленный между диэлектрическим струегасителем и струеформирователем с кумулятивными пазами на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, а разбивка на отдельные секции обеспечена с помощью замыкающих электродов, установленных между участками струеформирователя, новым является то, что в каждой секции между внутренним токопроводом и внутренней поверхностью струеформирователя введен заранее определенный зазор, задающий время формирования импульса напряжения на каждой секции.
Разные по величине зазоры между внутренним токопроводом и участками струеформирователя образованы за счет выполнения участков струеформирователя разной толщины, например, уменьшающейся в сторону нагрузки, или за счет выполнения стенки внутреннего токопровода разной толщины, например, увеличивающейся по заранее заданному закону в сторону нагрузки. Кроме этого, замыкающие электроды могут быть выполнены в виде штырей или колец.
Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что по сравнению с известным устройством для формирования импульса тока, содержащим взрывной обостритель тока, который выполнен в виде последовательно соединенных секций, заключенных между наружным и внутренним токопроводами, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, источник питания и нагрузку, подключенную к концам наружного и внутреннего токопроводов, причем каждая секция включает в себя разрушаемый проводник, установленный между диэлектрическими струегасителем и струеформирователем с кумулятивными пазами на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, а разбивка на отдельные секции обеспечена с помощью электродов, установленных между участками струеформирователя, новым является то, что в каждой секции разрушаемый проводник выполнен с разной заранее определенной толщиной, например, увеличивающейся в сторону расположения нагрузки, за счет чего каждая секция срабатывает с заранее заданной задержкой по времени относительно соседней.
По сравнению с известным способом формирования импульса тока, при котором амплитуда выходного напряжения равна напряжению, полученному на одной секции, умноженному на число секций, и форма выходного напряжения соответствует форме напряжения на одной секции, заявляемый способ позволяет регулировать форму и амплитуду выходного напряжения импульсного источника, так как каждая секция срабатывает с заранее заданной задержкой по времени относительно соседней и величина выходного напряжения складывается из напряжений на каждой секции.
Временной сдвиг формирования импульса напряжения на каждой секции можно осуществить либо путем использования в каждой секции разрушаемого проводника разной толщины, либо изменением времени подлета стенки внутреннего токопровода к поверхности струеформирователя в каждой секции. Разное время подлета стенки внутреннего токопровода к струеформирователю можно реализовать несколькими путями: создать разные по величине зазоры в каждой секции между внутренним токопроводом и струеформирователем, ввести разнотолщинность стенки внутреннего токопровода в каждой секции, использовать для ускорения стенки внутреннего токопровода заряд взрывчатого вещества (ВВ) разной толщины.
вых
s
При срабатывании на каждой секции возникает импульс напряжения. Сложение напряжений на всех секциях определяет форму и величину выходного напряжения импульсного источника. Если все секции сработают одновременно и в каждой секции формируется импульс напряжения амплитудой Us, то величина выходного напряжения будет равна U=nU. В ряде случаев, например, при исследовании работы газоразрядных камер типа «плазменный фокус» необходимо варьировать амплитуду и длительность выходного напряжения импульсного источника тока.
Этого можно достичь за счет специально введенной разновременности срабатывания секций ВОТ. Каждая секция срабатывает с временной задержкой относительно соседней. За счет этого происходит не умножение напряжений на секциях, а их сложение. Задавая различные по времени задержки срабатывания секции, мы можем регулировать форму, амплитудное значение и длительность выходного импульса напряжения.
s
s
Варьируя временной задержкой срабатывания секций амплитуду выходного напряжения можно изменять от величины U до максимально возможной nU, а форму выходного напряжения можно изменять от формы импульса напряжения, полученной на одной секции, до цуга следующих один за другим импульсов напряжения на отдельных секциях ВОТ.
Известно, что при разлете цилиндрической трубы (внутреннего токопровода) под действием давления продуктов детонации заряда ВВ (см. «Физика взрыва» под ред. Орленко Л.П., М, Физматлит, 2002, т.2, с.23-31) скорость разлета стенки трубы зависит от ее толщины, материала трубы и от толщины плотности и скорости детонации заряда ВВ. Максимальная скорость стенки трубы определяется соотношением:
, где Д - скорость детонации заряда ВВ.
тр
тр
ρ, δ - плотность материала трубы и толщина стенки трубы.
ВВ
ВВ
ρ и δ - плотность заряда ВВ и толщина заряда ВВ.
Из приведенного соотношения видно, что скоростью разлета стенки трубы можно управлять либо изменением толщины стенки трубы, либо изменением толщины заряда ВВ.
сд.цил.
При выполнении участков струеформирователя разной толщины, а внутреннего токопровода в виде цилиндра с одной и той же толщиной стенки временной сдвиг (τ) по времени формирования импульса напряжения между секциями будет равен
T
тр.цил.
где Δ - разность толщин струеформирователей соседних секций, V - средняя скорость разлета стенки внутреннего токопровода цилиндрической формы.
сд.кон.
При выполнении струеформирователей секций одинаковой толщины, но с толщиной стенки внутреннего токопровода, изменяющейся вдоль оси, наружная поверхность токопровода будет иметь вид конуса, а внутренняя поверхность токопровода может иметь цилиндрическую или коническую форму в зависимости от формы, расположенного внутри токопровода заряда ВВ (заряд ВВ может быть цилиндрической формы или конической). В этом случае временной сдвиг (τ) по времени формирования импульса напряжения между секциями будет определяться из соотношения
,
n
n.кон.
n-1
(n-1)кон.
где φ - средняя величина зазора между внутренним токопроводом и струеформирователем  n-ой секции; V - средняя скорость стенки внутреннего токопровода в месте расположения n-ой секции; φ - средняя величина зазора между внутренним токопроводом и струеформирователем (n-1)-ой секции; V - средняя скорость стенки внутреннего токопровода в месте расположения (n-1)-ой секции; n - порядковый номер секции, численность которых составляет n.
пр
При осуществлении временного сдвига по времени формирования импульса напряжения за счет применения в каждой секции разрываемого проводника разной толщины необходимо учитывать два фактора (см. работу: V.K.Chernyshev et al. Time Dependence of Switching Delay Upon the Broken Foil Thickness. In: Megagauss Fields and Pulsed Power Systems. Ed. By V.M.Titov and G.A.Shvetsov, Nova Science Publishers, N.Y., 1990, p.481-484): во-первых, время формирования импульса напряжения пропорционально  (где δ - толщина разрываемого проводника), во-вторых, начало формирования импульса напряжения с утолщением разрываемого проводника сдвигается по линейному закону:
пр
где δ - толщина разрываемого проводника (мм) в диапазоне 0,1 мм - 2 мм.
На фиг.1 изображена схема для реализации заявляемого способа.
На фиг.2 a) и b) изображены ВМФИТ с регулированием формы и амплитуды выходного напряжения для реализации заявляемого способа по первому варианту.
пр
На фиг.3 изображен ВМФИТ с регулированием формы и амплитуды выходного напряжения для реализации заявляемого способа по второму варианту (толщина разрушаемого проводника δ меняется от секции к секции).
На фиг.4 изображен общий вид ВМФИТ, где I - СВМГ, II - ВОТ, III - нагрузка.
На фиг.5 изображена экспериментальная зависимость от времени напряжения в нагрузке.
На фиг.1-3 обозначено:
1. Конечная индуктивность спирального генератора
2. Сопротивление секции ВОТ
3. Замыкающий ключ секции ВОТ
4. Индуктивность секции ВОТ
5. Замыкающий ключ нагрузки
6. Индуктивность нагрузки
7. СВМГ
8. Внешний токопровод ВОТ
9. Внутренний токопровод ВОТ
10. Заряд ВВ
11. Система инициирования
12. Нагрузка
13. Разрушаемый проводник секции ВОТ
14. Струегаситель
15. Струеформирователь
16. Кумулятивный паз
17. Замыкающий электрод секции ВОТ
18. Изолятор ВОТ
19. Замыкающий ключ нагрузки
g
1S
(n+1)S
1S
nS
1S
nS
g
1S
nS
1
Электрическая схема заявляемого способа формирования импульса тока с регулируемой формой выходного напряжения работает следующим образом. С помощью СВМГ (поз.7 фиг.2) с конечной индуктивностью L (поз.1, фиг.1) и последовательно соединенных секций с сопротивлением R…R (поз.2 фиг.1) накапливается электромагнитная энергия. Ключи K…K (поз.3 фиг.1) разомкнуты, и ток протекает через последовательно соединенные индуктивности L…L и L (поз.4 фиг.1). После окончания работы СВМГ замыкаются ключи K…K и K (поз.3 фиг.1), при этом каждая n+1 секция образует свой независимый контур.
Один из вариантов (вариант 1) устройства ВМФИТ с регулированием амплитуды и формы выходного напряжения показан на фиг.2.
Взрывомагнитный формирователь импульса тока содержит взрывной обостритель тока, выполненный в виде последовательно соединенных секций, заключенных между наружным (поз.8 фиг.2) и внутренним (поз.9 фиг.2) токопроводами, заряд взрывчатого вещества (поз.10 фиг.2) с системой инициирования (поз.11 фиг.2), источник питания (поз.7 фиг.2) и нагрузку (поз.12 фиг.2), подключенную к концам наружного (поз.8 фиг.2) и внутреннего (поз.9 фиг.2) токопроводов, причем каждая секция включает в себя разрушаемый проводник (поз.13 фиг.2), установленный между диэлектрическим струегасителем (поз.14 фиг.2) и струеформирователем (поз.15 фиг.2) с кумулятивными пазами (поз.16 фиг.4) на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику (поз.13 фиг.4), причем разбивка на отдельные секции обеспечена с помощью замыкающих электродов (поз.17 фиг.2), установленных между участками струеформирователя (поз.15 фиг.2), при этом между внутренним токопроводом (поз.9 фиг.2) и участками струеформирователя (поз.15 фиг.2) образованы разные по величине зазоры.
В устройстве ВМФИТ по второму варианту участки разрушаемого проводника (поз.13 фиг.3) в каждой секции выполнены с разной толщиной.
Устройство работает следующим образом. Задействуется СВМГ (7), который обеспечивает ток в контуре накопительной индуктивности, включающей в себя разрушаемый проводник (13) и внутренний токопровод (9). В момент максимального значения тока в накопительной индуктивности осуществляется замыкание электродов (17) стенкой внутреннего токопровода (9). Замыкание реализуется так: срабатывает система инициирования (11), которая одновременно по всей длине возбуждает детонацию в цилиндрическом заряде ВВ (10), размещенном внутри цилиндрического внутреннего токопровода (9). Стенка внутреннего токопровода под действием давления продуктов детонации заряда ВВ начинает ускоряться. При подлете стенка токопровода (трубы) натыкается на группу электродов (17) замыкающего ключа, происходит гальваническое соединение внутреннего токопровода (9) с электродами (17), при этом образуется ряд независимых контуров-секций. Группы электродов (17) расположены вдоль взрывного обострителя тока, имеют вид штырей и разделяют ВОТ на отдельные секции. Электроды в группах отличаются по длине. Каждая группа состоит из нескольких электродов, равномерно расположенных по окружности. Струеформирователь (15) также разделен по длине на участки по секциям ВОТ, причем толщина секционных участков струеформирователя изменяется по отношению к соседней на определенную величину. При ударе стенки внутреннего токопровода (9) о поверхность струеформирователя (15) в нем возникает ударная волна, которая распространяется в сторону кумулятивных пазов (16). Поскольку зазор между участками струеформирователя (15) в секциях и внутренним токопроводом (9) разный, то стенки токопровода подлетают к поверхности струеформирователя (15) в разный момент времени, и ударная волна в струеформирователе (15) каждой секции формируется с временным сдвигом. Этот временной сдвиг определяется величиной зазора между токопроводом (9) и внутренней поверхностью струеформирователя (15). Ударная волна охлопывает пазы (16), в струеформирователе (15) образуются кумулятивные струи, которые разрезают разрушаемые проводники (13), и глохнут в струегасителе (14). Изолятор (18) предназначен для предотвращения электрического пробоя между внешним токопроводом (8) и внутренним токопроводом (9). Внешний токопровод (8) предназначен для соединения нагрузки (12) с ВМФИТ. За счет введения зазора между струеформирователем (15) и внутренним токопроводом (9) в каждой секции ВОТ разрезание струями проводника (13) осуществляется с временным сдвигом относительно соседней секции, поэтому напряжение на каждой секции ВОТ возникает также с временным сдвигом по отношению к соседней секции. Меняя величину зазора можно регулировать момент возникновения напряжения на секции ВОТ. Для того чтобы предотвратить предварительное протекание тока в нагрузке (12), которое может быть за счет диффузии части магнитного потока через разрываемый проводник (13) при нагреве его проходящим током еще до разрыва проводника кумулятивными струями, в конструкции ВМФИТ предусмотрен замыкающий ключ (19). Ключ представляет собой два электрода, разделенных слоем диэлектрика. Пробивное напряжение ключа (19) зависит от толщины и материала диэлектрика, а также и от геометрии электродов.
С целью повышения надежности работы импульсного источника тока толщина участков струеформирователя (15) уменьшается в сторону нагрузки (12). В этом случае формирование импульса напряжения на нагрузке начинается с работы первой секции (считая от места расположения СВМГ) и в случае возникновения внештатной ситуации (например, электрического пробоя между внутренним токопроводом в первой секции) импульсы тока и напряжения формируются при срабатывании следующих секций. С этой же целью в других вариантах исполнения конструкции импульсных источников толщина участков внутреннего токопровода (9) увеличивается в сторону нагрузки (12).
Пример конкретного выполнения.
Были изготовлены и испытаны два образца взрывомагнитных формирователей импульсов тока. Первый образец состоял из спирального взрывомагнитного генератора (СВМГ) (I) ⌀ 100 мм, взрывного 10-секционного обострителя тока (ВОТ) (II) ⌀ 160, в котором разрыв проводника во всех секциях осуществлялся одновременно, и нагрузки индуктивностью 30 нГн (III). Во втором образце были реализованы заявленный способ формирования импульса тока и устройство для его осуществления (ВМФИТ по первому варианту заявляемого устройства). Импульсный источник тока (см. фиг.4.) состоит из СВМГ (I) ⌀ 100 мм, взрывного 10-секционного обострителя тока (II) ⌀ 160 и индуктивной нагрузки величиной 30 нГн (III). Струеформирователи в секциях ВОТ были выполнены с разной толщиной так, что величина зазора между струеформирователем и внутренним токопроводом увеличивалась от 12,5 мм до 22,9 мм в сторону нагрузки. В среднем на каждой секции величина зазора увеличивалась на 1,15 мм, что обеспечивало сдвиг начала формирования импульса напряжения на каждой секции относительно соседней на ~0,35 мкс. Разрываемый проводник был выполнен из медной фольги толщиной 0,1 мм. Длина каждой секции составляла 33 мм. Замыкающие электроды в каждой секции были выполнены в виде штырей в количестве 12 шт., равномерно расположенных по окружности.
Результаты испытания образцов показали, что СВМГ обеспечил в ВОТ конечный ток величиной ~4 МА, с помощью ВОТ в индуктивной нагрузке 30 нГн был получен импульс тока амплитудой ~1,4 МА. Напряжение на входе нагрузки в образце с одновременной работой каждой секции составило 78 кВ, в образце с временным сдвигом в каждой секции - 33 кВ. Зависимости напряжения от времени, зарегистрированные в опытах, показаны на фиг.5.
Из приведенных зависимостей видно, что с помощью временного сдвига в срабатывании секций ВОТ удалось изменить форму и амплитуду напряжения на входе нагрузки. Длительность импульса напряжения на входе нагрузки в первом опыте на уровне (0,1-0,9)Umax составила 0,8 мкс, во втором опыте - 1,5 мкс, а амплитуда напряжения с 78 кВ в первом опыте снизилась до 33 кВ во втором опыте. Отсюда видно, что с помощью временного сдвига момента разрыва проводника в ВОТ можно регулировать форму и амплитуду выходного напряжения импульсного источника. Амплитуду тока импульсного источника можно регулировать током начальной запитки СВМГ. При необходимости получения тока в нагрузке амплитудой более 5 МА необходимо использовать СВМГ диаметром 160…240 мм и при этом надо увеличивать и диаметр ВОТ.