Содержание к диссертации
Введение
1. Техника формирования мощных импульсов на основе индуктивного накопителя 10
1.1 Радиационные генераторы с индуктивным накопителем энергии и плазменным прерывателем тока 14
1.2 Исследования плазменного прерывателя тока с микросекундным временем проводимости 23
1.3 Согласование плазменного прерывателя тока с нагрузкой 30
1.4 Выводы и постановка задач 33
2. Экспериментальная установка и методика исследований 35
2.1 Установка ГИТ-4 35
2.2 Источник плазмы 39
2.3 Система регистрации и методика исследований 42
3. Исследование работы коаксиального плазменного прерывателя тока 46
3.1 Распространение плазмы вдоль оси прерывателя при радиальной инжекции 46
3.2 Исследование плазменного прерывателя при переключении тока в коаксиал с замкнутым и разомкнутым центральным проводником 55
3.3 Исследование плазменного прерывателя тока с разомкнутым центральным электродом
4. Плазменный прерыватель тока в схемах мощных импульсных генераторов 78
4.1 Схема с включением нагрузки до плазменного прерывателя тока 78
4.2 Параллельное включение прерывателей 99
4.3 Увеличение выходной мощности генератора посредством последовательного включения прерывателей 110
Заключение 120
Литература 122
- Исследования плазменного прерывателя тока с микросекундным временем проводимости
- Согласование плазменного прерывателя тока с нагрузкой
- Исследование плазменного прерывателя при переключении тока в коаксиал с замкнутым и разомкнутым центральным проводником
- Параллельное включение прерывателей
Введение к работе
Интерес к мощным импульсным генераторам обусловлен их применением в частности для создания источников мощного рентгеновского излучения [1]. Для увеличения мощности и энергии излучения требуется как повышение значений запасаемой энергии в генераторе, так и скорости ее вывода. Это делает проблематичным использование какого-либо одного типа накопителя в составе установки. Современные мощные импульсные генераторы обычно создаются путем комбинирования двух и более типов накопителей в целях получения высокой пространственно временной концентрации энергии в нагрузке. При этом во вторичном накопителе энергия запасается в импульсном режиме, благодаря чему достигается более высокая плотность энергии и соответственно большая скорость ее вывода [2].
При построении импульсных генераторов широкое применение получил емкостной накопитель, т.к. он допускает медленную зарядку в течение >10~ с, а разряжается за время ~10" с. Емкостной накопитель имеет плотность запасаемой энергии -0.К0.3 Дж/см". В случае использования схем умножения напряжения, плотность энергии снижается еще в несколько раз. Более высокую плотность энергии -10" Дж/см' можно получить при использовании промежуточного индуктивного накопителя. В этом случае уровень мощности генератора зависит от решения задачи создания размыкателя тока для индуктивного накопителя. Основные требования к размыкателю: возможность проводить большой ток с наименьшими потерями в замкнутом состоянии, высокая скорость нарастания сопротивления до необходимой величины и удержание высокого напряжения в разомкнутом состоянии. При работе в частотном режиме размыкатель должен восстанавливать исходное состояние. Создание эффективного размыкателя, способного работать при энергиях порядка мегаджоулей и
времени порядка микросекунды является сложной и до конца нерешенной задачей. Широкое применение при высоких уровнях тока получил плазменный прерыватель тока (ППТ) [3, 4].
Плазменный прерыватель тока представляет собой плазменную перемычку, включенную на выходе индуктивного накопителя параллельно нагрузке. На начальном этапе сопротивление плазмы низкое и плазма является закороткой для тока, обеспечивая перевод запасенной электрической энергии в магнитную с пространственным сжатием, т.е. повышением объемной удельной энергии. Затем сопротивление плазменной перемычки возрастает, и энергия переключается в нагрузку. Соответственно первая стадия носит название- фаза проводимости, вторая- фаза размыкания.
К настоящему моменту созданы и исследуются ППТ с временем низкоомного состояния 10"-И0"Л с при токах 10^107 А, обеспечивающих ввод в индуктивный накопитель энергии до нескольких мегаджоулей. Увеличение времени проводимости и тока через прерыватель связано с необходимостью поднимать концентрацию плазмы и (или) увеличивать радиальные и аксиальные размеры ППТ. Это в свою очередь приводит к увеличению времени размыкания прерывателя и уменьшению его сопротивления [5]. Также становится существенным поток плазмы из зоны прерывателя в тракт линии транспортировки, оказывающий негативное влияние на переключение энергии в нагрузку. Для дальнейшего развития генераторов на основе индуктивного накопителя необходимо решать проблемы эффективного вывода энергии из накопителя и транспортировки ее к нагрузке.
Настоящая работа выполнена по результатам экспериментов в ИСЭ СО РАН на генераторе ГИТ—4 с индуктивным накопителем энергии и ППТ. Работа направлена на исследование возможных путей увеличения эффективности схемы генератора с промежуточным индуктивным накопителем и ч плазменным прерывателем тока при микросекундных временах ввода энергии.
Структура и объем работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях и 3 материалах конференций. Результаты диссертации были представлены на 12 Международной конференции по импульсной технике (г. Монтерей, США, 1999 г.), 12 и 13 Симпозиумах по сильноточной электронике (г. Томск, 2000 и 2004 г.).
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем 132 страницы (шрифт «Times New Roman», 14 пт), 77 рисунков, 1 таблица и 92 наименования в списке литературы.
В первой главе работы приводится литературный обзор мощных импульсных установок на основе индуктивного накопителя и плазменного прерывателя тока, предназначенных для получения рентгеновского излучения. Приведены основные закономерности и особенности работы микросекундного ППТ, полученные из теоретических и экспериментальных исследований. На основании анализа литературных данных сформулированы задачи работы.
Вторая глава работы посвящена описанию экспериментальной установки, системы регистрации и методики обработки экспериментальных данных.
В третьей главе представлены результаты исследований аксиального распространения плазмы в ППТ и работы прерывателя с разомкнутым центральным электродом.
В четвертой главе рассмотрены схемы включения плазменного прерывателя в контур импульсного генератора. Приводятся анализ и экспериментальная демонстрация работы схемы с включением нагрузки до ППТ. Представлены материалы, посвященные созданию разрядника, изолирующего нагрузку от напряжения на прерывателе во время ввода энергии в индуктивный накопитель.
Одним из возможных подходов к уменьшению индуктивности прерывателя и токоподвода к нему в схеме включения нагрузки до ППТ является параллельное включение нескольких прерывателей. Параллельное
включение также исключает необходимость в разработке ППТ на полный ток генератора и позволяет применять отработанную конструкцию прерывателя с приемлемыми характеристиками. Результаты экспериментальных исследований параллельно включенных прерывателей представлены в четвертой главе.
Использование в качестве первичного накопителя линейного трансформатора позволяет предложить способ реализации схемы с последовательным включением ППТ для увеличения выходной мощности генератора. Четвертая глава содержит численный анализ предлагаемой схемы.
В конце работы приводятся заключение и список используемой литературы.
Научная новизна. Основные результаты работы, которые можно отнести к категории полученных впервые:
Установлены: связь между началом резкого роста сопротивления прерывателя и выходом фронта магнитного поля в область торца катода для плазменного прерывателя с разомкнутым центральным проводником; наличие напряженностей ~3 МВ/см в этой области в высоковольтной фазе; влияние на сопротивление прерывателя протяженности плазменной области за торцом катода.
Подтверждена возможность эффективного использования в импульсных генераторах мегаамперного диапазона схемы включения нагрузки до плазменного прерывателя тока через разделительный разрядник с пробоем по поверхности диэлектрика в вакууме.
Продемонстрирована возможность параллельного включения плазменных прерывателей с разбросом <35 не с сохранением величины эквивалентного сопротивления единичного прерывателя на полный ток.
Предложена конструкция генератора на основе линейного трансформатора тока с последовательным включением нескольких
плазменных прерывателей, позволяющая в несколько раз увеличить мощность на нагрузке.
Практическая ценность работы заключается в дальнейшем развитии элементной базы и схемотехники построения мощных импульсных генераторов с промежуточным индуктивным накоплением энергии. Результаты исследований были использованы в генераторах, которые создавались в ИСЭ СО РАН, а также при модернизации уникальной электрофизической установки ГИТ-12.
Положения, выносимые назащиту:
В отсутствие тока генератора в плазменном прерывателе с радиальной инжекцией плазмы из пушек капиллярного типа со стороны внешнего проводника диаметром 200 мм и максимальной концентрацией —5-1015 см"'' в области инжекции фронт плазмы распространяется в аксиальном направлении со скоростью до ~10 см/с. На расстоянии 50 см от плоскости инжекции через время ~5 мкс концентрация плазмы составляет ~1013 см"3.
Начало резкого роста напряжения при разомкнутом центральном электроде плазменного прерывателя, проходящем через часть инжектируемой плазмы, связано с выходом фронта магнитного поля в область торца катода и не зависит от протяженности плазмонаполненной области за катодом в аксиальном направлении. Основное падение напряжения в высоковольтной фазе происходит на длине менее 1 см от плоскости торца катода.
Сопротивление прерывателя с разомкнутым центральным проводником в высоковольтной фазе зависит от протяженности области за плоскостью инжекции. Максимальные величина сопротивления и длительность высокоомного состояния реализуются когда расстояние до торцевого анодного электрода превышает расстояние до границы плазмы с концентрацией-10 см'.
Генераторы по схеме включения нагрузки до плазменного прерывателя тока через разделительный разрядник способны обеспечивать мощность,
подводимую к нагрузке такую же, как и в схеме с включением нагрузки за плазменным прерывателем. При этом обеспечивается изоляция нагрузки от потоков частиц из зоны прерывателя. При токах мегаамперного диапазона в разделительных разрядниках целесообразно использовать разряд по поверхности диэлектрика в вакууме.
5. Параллельное включение идентичных плазменных прерывателей позволяет сохранить величину эквивалентного сопротивления на уровне сопротивления единичного прерывателя на полный ток. Временной разброс между началом высоковольтной фазы отдельных прерывателей может быть менее 35 не.
Исследования плазменного прерывателя тока с микросекундным временем проводимости
Плазменный прерыватель тока является объектом экспериментальных и теоретических исследований как наиболее критичный элемент в установках на основе индуктивного накопителя. Результаты этих исследований во многом определяют дальнейшее развитие технологии формирования мощных импульсов.
Работа плазменного прерывателя тока непосредственно связана с динамикой магнитного поля, вызванного протеканием тока в плазме. Поскольку время работы прерывателя существенно меньше времени, необходимого для диффузии магнитного поля в плазму, проникновение поля будет определяться дрейфом плазмы как целого под действием давления магнитного поля и сносом поля в глубь плазмы электронным током (эффект Холла). Если магнитное поле "запирается" в тонком слое толщиной порядка электронного скин-слоя на границе плазмы, то динамика магнитного поля вдоль оси системы будет определяться {ихВ) дрейфом плазмы (МГД режим) [38, 39]. Сравнение результатов расчета с данными эксперимента на генераторе HAWK выполнено в работе [42]. Схема эксперимента показана на рис. 1.9. Плазма инжектировалась в межэлектродный зазор 18 поверхностными источниками плазмы. Радиус катода в ППТ /у=5 см, длина плазменной перемычки /=8 см. Для измерения линейной интегральной плотности плазмы использовали интерферометр на He-Ne лазере. Зондирующий луч проходил вдоль оси системы на радиусе 6.5 см. На рис. 1.10 приведены экспериментальные данные максимального тока через прерыватель в зависимости от концентрации плазмы. Также показаны расчетные кривые, предсказанные МГД теорией (кривая 1) и ЭМГ теорией при отсутствии градиента плотности Ln=-—— = со; — = 0 (кривая 2) и при Ln=2 см on Ідг дг (кривая 3). Полученные данные демонстрируют, что при токе -500 кА и концентрации плазмы более 10 см"3, ток проводимости хорошо предсказывается в рамках МГД теории / ос «25. Для меньших концентраций зависимость тока от плотности плазмы ближе предсказываемой ЭМГ теорией / ос w05, т.е. холловский член становится существенным. Рис. 1.9. Схема эксперимента на генераторе І і A WK. Density (cm Jl Рис. 1.10. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными кривыми. Качественное выполнение соотношения (1.2) получено и в экспериментах на установках серии ГИТ [43]. В [44] указывалось на необходимость совместного рассмотрения МГД и холловского членов. При этом длительность фазы проводимости по-прежнему будет определяться МГД движением, но ширина фронта магнитного поля определяется проявлением эффекта Холла.
Динамика проникновения магнитного поля в плазму исследовалась также путем компьютерного моделирования работы микросекундного ППТ, используя МГД теорию с учетом эффекта Холла [45]. Моделирование проводилось в широком диапазоне концентраций плазмы пе=\0]4+\016 см"3 при временах проводимости 0.4-г2 мкс и токах проводимости О.З-гО.8 МА. Результаты расчетов показали, что при концентрации плазмы в несколько раз большей 1015 см"3 эффект Холла не оказывает существенного влияния на динамику плазмы и проникновение магнитного поля. При более низких концентрациях w , 1015 см"3 эффект Холла становится существенным и приводит к сокращению времени проникновения магнитного поля в сравнении с "чистой" МГД моделью. В целом результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными на установке HAWK при токах проводимости 300-800 кА.
После выхода фронта магнитного поля на удаленную границу плазмы становится возможным переключение тока в нагрузку, расположенную за ППТ. Момент времени проникновения магнитного поля на всю длину плазменной перемычки может быть связан с началом фазы размыкания.
Согласование плазменного прерывателя тока с нагрузкой
Работа плазменного прерывателя тока зависит от электрических и геометрических параметров области нагрузки. В экспериментах на генераторе ДУБЛЬ (ff=56 кДж, /шл=0.3 МА, Atm=l-5 мкс) выполнены измерения электронных, ионных потоков в прерывателе и показано влияние вида нагрузки на характер энергетических потерь в ППТ [59]. Согласно результатам экспериментов в микросекундном ППТ ионные потери составляют -70% интегральных потерь для индуктивной нагрузки и -30% для режима разомкнутого катода прерывателя и, следовательно, являются не менее определяющими, чем электронные потери энергии для максимального импеданса ППТ.
Влияние импеданса нагрузки на работу ППТ в обычной схеме, когда нагрузка находится за прерывателем, продемонстрировано в экспериментах на генераторе HAWK [60]. На рис. 1.13 показаны экспериментальные зависимости напряжения на ППТ Us и тока в нагрузке // от импеданса нагрузки z/. Данные для всех случаев получены при одинаковом времени задержки и токе в ППТ к моменту размыкания 0.6 МА. Из представленных результатов видно, что до некоторого значения z/ установка работает в режиме генератора тока: напряжение на ППТ определяется импедансом нагрузки, ток в нагрузке практически неизменный (load limited режим). Дальнейший рост импеданса нагрузки не влияет на напряжение, которое остается примерно на одном уровне (switch limited режим). При этом ток в нагрузке уменьшается обратно пропорционально импедансу нагрузки, т.е. растут потери между ППТ и нагрузкой.
Нагрузка была выполнена в виде вакуумной коаксиальной линии длиной 60 или 120 см. На внешнем электроде линии через каждые 15 см устанавливались токовые датчики и через каждые 10 мм проволочки, выступающие на 2.5 см по направлению к центральному проводнику. Повреждение проволочек после серии выстрелов свидетельствовало о наличие потока высокоэнергетичных электронов вдоль анода линии, источником которых является зона ППТ. Несколько первых проволочек остались неповрежденными. Возможно это результат экранирования проволочек плазмой, вынесенной из зоны прерывателя. Введение электронного потока с большим объемным зарядом из прерывателя в тракт линии подтверждают и результаты компьютерного моделирования. Экспериментальные данные с токовых датчиков, расположенных вдоль линии длинной 120 см, показывают наличие утечек, связанных с высыпанием электронного потока на анод по мере распространения вдоль оси. Причем токовые потери распределены почти по всей длине линии транспортировки. Эксперименты на ГИТ-8, показали, что причиной потерь тока при переключении энергии в нагрузку также может являться плазма, вынесенная из области прерывателя [62]. Отметим, что плазма в тракте линии транспортировки присутствует даже не смотря на то, что инжекция осуществлялась вдоль оси ППТ в направлении противоположном нагрузке. В связи с этим необходимо экспериментально находить варианты геометрии переходной области прерыватель-нагрузка с целью минимизировать потери энергии при транспортировке [63]. 1.4 Выводы и постановка задач
Использование плазменного прерывателя тока позволяет существенно увеличить выходную мощность генератора. Практическая реализация усиления выходной мощности зависит от сопротивления ППТ в разомкнутом состоянии и эффективности транспортировки энергии к нагрузке.
Имеющиеся к настоящему времени мощные установки по компоновке выполнены по одному типу: проводники индуктивного накопителя, ППТ и линии транспортировки энергии к нагрузке образуют коаксиальную систему с единой осью симметрии. Увеличение сопротивления ППТ достигается за счет усиления магнитного поля путем сужения участка центрального электрода ППТ и (или) наложением внешнего магнитного поля. В случае если линия транспортировки расположена за ППТ, ее электроды накладывают ограничение на геометрические размеры электродов прерывателя и на предельную величину магнитного поля. Кроме того, в микросекундном ППТ становится существенным вынос плазмы в тракт линии транспортировки, способной шунтировать нагрузку. Для эффективного переключения тока в нагрузку в этом случае требуется оптимизировать геометрию переходной области от прерывателя к линии транспортировки.
Плазму из зоны ППТ в передающем тракте можно исключить путем разделения областей прерывателя и передающей линии за счет включения нагрузки до ППТ через разделительный разрядник. При этом геометрия центрального проводника прерывателя и предельная величина магнитного поля в ППТ не зависят от радиальных размеров передающей линии. В ППТ можно использовать разомкнутый центральный электрод, обеспечивающий наилучшие характеристики в фазе размыкания. При реализации предлагаемого варианта подключения нагрузки возникает ряд задач. Магнитное поле в зоне прерывателя обеспечивается током ППТ, величина которого уменьшается по мере переключения тока в нагрузку. Это может изменить характеристики прерывателя в стадии размыкания по сравнению с традиционным вариантом. При подключении низкоимпедансных нагрузок возникает необходимость включения в цепь передающего тракта разрядника, изолирующего нагрузку на время ввода энергии в индуктивность контура от напряжения на прерывателе и подводах к нему. Коммутационная характеристика разрядника не должна ограничивать скорость нарастания тока в нагрузке и его амплитуду. Также в схеме генератора появляется дополнительная индуктивность перед прерывателем, приводящая к потерям энергии и снижению мощности в нагрузке. Уменьшение собственной индуктивности ППТ и токоподвода к нему может быть достигнуто за счет параллельного включения нескольких прерывателей.
Исследование плазменного прерывателя при переключении тока в коаксиал с замкнутым и разомкнутым центральным проводником
На установке ГИТ-4 выполнена серия экспериментов по исследованию проникновения магнитного поля в плазму ППТ и режима переключения тока для вариантов, в которых продолжение центрального проводника прерывателя образовывало короткозамкнутую коаксиальную линию или отсутствовало. Конфигурация, когда центральный электрод проходит через всю длину плазменной перемычки, широко исследовалась экспериментально на различных установках [75-77], а также теоретически [44, 78, 79]. Эксперименты на ГИТ-4 с короткозамкнутой коаксиальной линией за прерывателем проводились с целью оценки аксиальной протяженности нашего ППТ к моменту начала высоковольтной фазы и для прямого сравнения с конфигурацией, в которой центральный электрод разомкнут и может проходить лишь через часть инжектируемой плазмы. Последний вариант может иметь место в схеме с пространственно разделенными областями прерывателя и линии транспортировки за счет включения нагрузки до ППТ.
Схема эксперимента представлена на рис. 3.8. Инжектор плазмы включал в себя 32 плазменные пушки на диаметре 200 мм, инжектирующих плазму в радиальном направлении. В области инжекции центральный катодный электрод имеет форму конуса с диаметром в плоскости установки плазменных пушек ПО мм. За ППТ установлена камера с 8 индуктивными канавками а\-а$. Расстояние между соседними канавками 40 мм. Расстояние от плоскости инжекции до первого датчика 250 мм. В первом варианте (рис. 3.8,а) нагрузка образована центральным проводником диаметром 76 мм и внешней камерой диаметром 200 мм. Индуктивность нагрузки от плоскости инжекции плазмы -108 нГн. Во втором варианте (рис. 3.8,6) центральный проводник коаксиала нагрузки заменен конусным наконечником длиной 65 мм. Индуктивность от активного делителя до торца катода составила -170 нГн. Результаты эксперимента при замкнутом центральном электроде прерывателя На рис. 3.9 для эксперимента с замкнутым центральным электродом представлены осциллограммы тока генератора lg(t), тока, рассчитанного из сигнала с последней индуктивной канавки путем интегрирования /8(/), расчетного напряжения на прерывателе в плоскости инжекции Us(t) и индуктивности L(t) для задержек /,7=2.8 и 5.8 мкс. При /,/=2.8 мкс в контуре генератора нарастает ток 1 МА за время 0.8 мкс. Сигнал с самой удаленной от плоскости инжекции канавки появляется через 100 не после появления напряжения /,(/). Задержка 100 не характеризует время, необходимое для проникновения магнитного поля от плоскости инжекции до конца линии нагрузки. С увеличением задержки до 5.8 мкс ток вырос до -1.4 МА, время проводимости увеличилось до 1 мкс. Время проникновения магнитного поля от плоскости инжекции до конца линии нагрузки возросло в 2 раза до -200 не. В обоих случаях в нагрузку переключается практически весь ток.
Рассчитанная из выражения (2.1) зависимость индуктивности /,(/) от времени показывает, что основное время фазы проводимости обусловлено проникновением магнитного поля в области установки плазменных пушек, где концентрация плазмы максимальна. В конце переключения индуктивность L{t) выходит на уровень, близкий к индуктивности контура, рассчитанной из геометрических размеров конструкции. Это также подтверждает, что в нагрузку переключается приблизительно весь ток.
При tj=2.S мкс (рис. 3.10) временной сдвиг между началом появления сигналов с первой и восьмой канавок составляет 20 не, причем сигналы с последних пяти канавок появляются почти одновременно. Это означает, что плазма здесь практически отсутствует. С увеличением задержки до 5.8 мкс (рис. 3.11) задержка в появлении сигналов с первого и последнего датчиков возросла до 55 не. Временной сдвиг наблюдается между всеми восемью сигналами и, следовательно, весь коаксиал нагрузки заполнен плазмой. Средняя скорость распространения магнитного поля в зоне установки датчиков составила 5-10 см/с.
Получено, что с ростом времени задержки аксиальная протяженность плазмы увеличивается. Если принять аксиальную координату индуктивной канавки, начиная с которой сигналы появляются практически одновременно, за условную границу плазма-вакуум, то для /(/К2.8 мкс эта граница находится на расстоянии 33 см от плоскости инжекции, а для /,/=5.8 мкс - на расстоянии 53 см. Это движение передней границы плазмы соответствует средней скорости 6-10 см/с. Здесь подразумевается плазма с концентрацией соответствующей проникновению магнитного поля В 2+5 Тл со скоростью -5-Ю8 см/с. Согласно выражению (1.3) получаем « 10LVl014 см 3. Положение границы плазмы с такой концентрацией согласуются с выше изложенными результатами (часть 3.1).
Из осциллограмм расчетных токов /1-/8 видно, что фронт проникающего магнитного поля широкий. Оценка ширины фронта из рис. 3.11 более 20 см. Широкий фронт проникающего магнитного поля ранее наблюдался на установках с ППТ, имеющих более низкую концентрацию плазмы. Например, на установке GAMBLE-I ширина токового канала достигала 15 см через 50 не после включения генератора при токе -100 кА [67], на установке ДУБЛЬ ширина токового канала в прианодной области -20 см через 750 не при токе -200 кА [75]. В качестве возможной причины широкого фронта называется аномальное сопротивление, приводящее к росту ширины токового канала (фронта магнитного поля) по мере распространения в низкоплотную плазму А ос п и4 [80, 77].
Параллельное включение прерывателей
При параллельном включении нескольких идентичных ППТ ток в каждом из прерывателей составляет лишь часть полного тока. Это исключает необходимость в разработке ППТ на полный ток генератора за счет использования прерывателей с отработанной конструкцией, имеющих приемлемые характеристики. Для практической реализации параллельного включения прерывателей удобно использовать схему включения нагрузки до ППТ.
Следовательно, для обеспечения той же величины пропускаемого заряда можно использовать параллельные ППТ с меньшими диаметрами электродов, при сохранении количества пушек на единице длины периметра прерывателя. В этом случае можно рассчитывать, по крайней мере, на сохранение магнитного поля в каждом из параллельных ППТ на уровне величины поля в прерывателе на полный ток. Возможность сохранения величины реализуемого напряжения на ППТ в случае его секционирования требует экспериментальной проверки.
Работа параллельных ППТ является самосогласованной. Преждевременное срабатывание одного из прерывателей приведет к увеличению тока в остальных, что инициирует их размыкание. Возможность параллельной работы двух плазменных прерывателей продемонстрирована в работах [86, 87]. Из-за высокой индуктивности связи между прерывателями получена несинхронность срабатывания ППТ 70-М00 не. Такой разброс в срабатывании в ряде случаев может быть неудовлетворительным, т. к. приведет к затягиванию фронта импульса напряжения и снижению выходной мощности. В работе [88] получено, что для синхронизации двух параллельных модулей ППТ достаточно перераспределения заряда между ними на уровне 1% от величины, переносимой каждым модулем.
На генераторе ГИТ-4 выполнены эксперименты для проверки возможности сохранения выходных параметров при секционировании прерывателя и оценки возможного временного разброса в срабатываниях параллельных ППТ. Нагрузка в этих экспериментах отсутствовала с целью исключить ее влияние на работу прерывателей.
В экспериментах по исследованию параллельной работы прерывателей использовался ППТ с аксиальной инжекцией плазмы в направлении ввода энергии. В дальнейшем такую инжекцию будем называть инверсной. Инверсная инжекция позволяет исключить попадание плазмы в тракт линии нагрузки и область разделяющего разрядника в схеме включения нагрузки до ППТ в широком диапазоне времени задержки.
Конструкция прерывателя приведена на рис. 4.16. На внешнем анодном проводнике на диаметре 124 мм установлены 16 плазменных пушки. Разомкнутый на торце конусный катод прерывателя длиной 230 мм и отношением диаметров 60/10 мм с помощью проводника диаметром 40 мм крепится к центральному электроду выходного коаксиала генератора 200/160 мм. Индуктивности от проходного вакуумного изолятора до точки отвода прерывателя 124 нГн, до плоскости инжекции 149 нГн.
Эксперименты показали, что такой прерыватель позволяет пропустить ток 1 МА за время 0.85 мкс, что соответствует заряду, протекшему через ППТ, 0.4 Кл. Осциллограммы тока генератора Igt напряжения на активном делителе Uг, напряжения Us и импеданс Rs прерывателя в плоскости инжекции плазмы представлены на рис. 4.17. При времени задержки /,/=10 мкс ток в прерывателе к моменту открывания 0.95 МА, напряжение на прерывателе достигает 2 MB, максимальное сопротивление 2.5 Ом. Длительность крутого участка фронта напряжения не превышает 30 не. Полученная из эксперимента индуктивность в момент резкого роста напряжения соответствует рассчитанной из геометрии системы в предположении замыкания тока на торец катода.
Для сравнения характеристик одного прерывателя на полный ток и секционированного прерывателя был разработан узел, состоящий из двух параллельно включенных ППТ (рис. 4.18). На внешнем проводнике каждого из инжекторов установлено 8 плазменных пушек на диаметре 66 мм, инжектирующих плазму в аксиальном направлении. Плотность установки пушек на единицу длины окружности осталась неизменной в сравнении с ППТ с 16 пушками 0.4 см"1. Радиус центрального проводника в плоскости инжекции плазмы уменьшился более чем в 2 раза с 60 до 25 мм. Центральный конусный электрод крепится с помощью проводника диаметром 17 мм к катодному электроду генератора диаметром 160 мм. Индуктивности от вакуумного изолятора до точки отвода прерывателей и до плоскости инжекции 124 и 148 нГн, соответственно. Эквивалентная дополнительная индуктивность до торца катода Ls составила -35 нГн. На рис. 4.19 приведены осциллограммы тока генератора Ig, напряжения Us и импеданса Rs прерывателя в плоскости инжекции плазмы при tj lO мкс. Ток генератора к моменту начала высоковольтной фазы 0.95 МА, максимальное напряжение на прерывателе 1.9 MB.
Сравнение полученных характеристик с результатами для одного ППТ с 16 плазменными пушками (рис. 4.17) показывает, что при равных временах задержки в контуре генератора к моменту начала высоковольтной фазы протекают близкие по амплитуде токи. В высоковольтной фазе прерывателей реализуются близкие эквивалентные сопротивления для случая одного ППТ с 16 плазменными пушками и двух параллельных ППТ с 8 пушками в каждом. Следует отметить, что во втором случае снизилась длительность высоковольтного состояния прерывателя с 270 до 200 не.
Похожие диссертации на Исследование схемы генератора с включением нагрузки до плазменного прерывателя тока
