Концепция новой двух

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 18176 (2022) Цитировать эту статью

1067 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В данной рукописи представлены концепция, физический принцип действия и исследования нового уникального двухступенчатого формирующего предохранителя (TSFF) с межкаскадной коммутацией разрядника, а также представлено его применение для формирования мощных импульсов экстремальных параметров. В статье классифицируются характеристики TSFF и сравниваются с обычными одноступенчатыми формовочными предохранителями. Выводы подтверждены аналитическими и экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях. Также представлена ​​конструкция прототипа TSFF, а также применяемые методы измерений и испытательные стенды. Разработанная технология ТСФФ позволяет достичь беспрецедентных параметров мощных импульсов с перенапряжениями до 800 кВ и импульсной мощностью десятков ГВт в очень компактном исполнении. Уникальные свойства TSFF позволяют его эффективно интегрировать с широким спектром источников энергии, даже при очень ограниченной крутизне нарастания тока или ограниченном выходном напряжении, что до сих пор было невозможно при использовании обычных одноступенчатых формовочных предохранителей. Предлагаемая система легко масштабируется, обеспечивая при этом гораздо большую гибкость приложений.

Во многих областях науки и техники существует потребность в генерации мощных электрических импульсов со значительной амплитудой тока (порядка сотен кА) или напряжения (порядка сотен кВ) и длительностью долей микросекунды1. . Такие импульсы используются, например, для моделирования физических процессов с экстремальными параметрами в лабораторных условиях (генераторы атмосферных перенапряжений или токов2,3, исследовательские системы для физики плазмы или ядерной физики, например плазменные генераторы Х-пинча) или в качестве импульсов, питающих мощные источники электромагнитного излучения, обычно для радиолокационных систем4, импульсных лазерных источников5 или систем направленной энергии6 (системы борьбы с дронами7,8, военные системы9 и т. д.). Применения импульсных источников большой мощности часто требуют компактной формы10 для целей транспортировки11 или для возможности установки в небольшом корпусе (например, в корпусе ракеты). Непосредственная генерация импульсов столь экстремальных параметров с использованием одного генераторного каскада на практике невозможна из-за значительных технических трудностей (вызванных высоковольтными электрическими или электродинамическими и термическими напряжениями). При этом отдельные источники импульсов не обеспечивают соответствующих параметров импульса (в плане недостаточной амплитуды или слишком большой длительности импульса). Поэтому в реальных системах генерация импульсов большой мощности осуществляется косвенно с помощью каскадных систем (как показано на рис. 1), в которых каждая последующая ступень вызывает относительное увеличение пиковой мощности импульса при одновременном уменьшении его длительности12.

Структурная схема системы каскадной генерации и формирования мощных импульсов.

Решения схем генерации и формирования импульсов большой мощности можно разделить на системы тока и напряжения в зависимости от характера генерируемого импульса. Типичными решениями систем напряжения являются генераторы Маркса13,14,15,16 или другие типы систем умножения напряжения, часто интегрированные со специальными формирующими линиями17,18, например, в топологии Блюмлейна19,20. В случае генераторов тока наиболее часто используемым решением является генератор сжатия магнитного потока (FCG)21,22, который умножает значение тока за счет взрывного сжатия магнитного потока, связанного с обмоткой генератора23,24,25. Выходной импульс тока FCG формируется в системе формирования импульсов (PFS) для адаптации его параметров к требованиям нагрузки. На рис. 2 представлена ​​схема принципа работы PFS на основе предохранителя, питаемого от батареи конденсаторов. Процесс формования основан на явлении динамического ограничения тока, протекающего в формирующей индуктивной катушке, с помощью чрезвычайно быстрого размыкания переключателя, который генерирует значительные перенапряжения, передаваемые на нагрузку системы. Наиболее часто используемым коммутирующим элементом является формирующий предохранитель (ФФ)26,27,28, принцип действия которого основан на быстром распаде плавких элементов (чаще всего выполненных в виде жгута хорошо проводящих проводов или полосок фольги). ) из-за протекания токов высокой плотности29. Подробная классификация, введение в технологию и перечень примерных параметров формирования взрывателей для генерации импульсов большой мощности (с учетом различных первичных источников и систем генерации импульсов) представлены в работе 30.