ГЕНЕРАТОР-ФОРМИРОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике, к ускорительной технике и может быть использовано для генерации сильноточных высоковольтных электрических импульсов прямоугольной формы для запитки ускорительных устройств, плазменных, лайнерных нагрузок и т.д.

Известны генераторы импульсов тока с индуктивным накоплением энергии в короткозамкнутой формирующей линии с распределенными параметрами (Ицхоки Я. С. Импульсные устройства.- М.: Сов. радио, 1959, с.349). В этой работе теоретически изложены принципы формирования электромагнитного импульса с помощью короткозамкнутой линии с током и обоснована возможность реализации генератора на этом принципе. Конструктивное решение, позволяющее реализовать требуемые конкретные цели, в работе отсутствует.

Известен также генератор электромагнитных импульсов, в котором магнитная энергия тока запасается в замкнутом тороидальном контуре (А.И. Павловский и др. Атомная энергия, 1974, т.37, вып. 3, с. 228, рис. 1в). Генератор содержит короткозамкнутую на внешнем радиусе радиальную линию торообразного сечения, образованную внешним цилиндрическим электродом, ограниченным вдоль оси боковыми электродами, электрически связанными с внешним электродом и соединенными последовательно с радиальной линией, прерыватель тока на основе взрывающихся проводников, расположенный аксиально в приосевой области линии и соединенный одним концом с боковым электродом, а другим с выходом источника тока, и источник тока с передающей линией. Нагрузка подключена параллельно прерывателю тока и расположена вдоль оси генератора.

Недостатком такого генератора является то, что при расположении прерывателя тока и нагрузки аксиально в приосевой области изолятор, отделяющий объем формирующей линии, которая может быть заполнена диэлектриком (твердым, жидким, газообразным), от нагрузки, обычно находящейся в вакууме (электронный пучок, лайнер и т.д.), находится в непосредственной близости к прерывателю тока. Срабатывание мощного прерывателя тока (взрывающиеся проводники, плазменный прерыватель тока) сопровождается интенсивным повышением температуры, испарением, разлетом плазмы и т.д., что может привести к попаданию продуктов взрыва, плазмы на изолятор и его преждевременному пробою, а следовательно, к уменьшению возможного выходного напряжения и сокращению длительности формируемого импульса. То есть снижается надежность работы генератора.

Кроме того, генераторы, работающие на низкоомные нагрузки, для эффективной передачи тока в нагрузку должны иметь малое волновое сопротивление, сравнимое с нагрузкой. Малое волновое сопротивление генератора на основе радиальной формирующей линии определяет и малые линейные размеры генератора. С другой стороны, при малом линейном размере генератора аксиальное расположение прерывателя тока в нем (особенно для накапливаемых и разрываемых токов амплитудой сотни и тысячи килоампер) не всегда возможно, т. к. размеры прерывателя тока превышают линейные размеры генератора-формирователя.

Задачей предлагаемого решения является создание относительно надежного при малых линейных размерах генератора-формирователя электромагнитного импульса, имеющего повышенное выходное напряжение по сравнению с прототипом при сохранении линейных (осевых) габаритов. Генератор необходим для формирования высоковольтных сильноточных импульсов при индуктивном накоплении энергии. Особенно удобно применять такой генератор при использовании в качестве первичного источника тока магнитокумулятивного генератора (МКГ), позволяющего развивать очень большие токи в низкоиндуктивной нагрузке, каковой и является замкнутый тороидальный контур при накоплении тока в нем. В таком генераторе электрическое поле возбуждается между двумя участками внутренней поверхности единой замкнутой проводящей полости, которая одновременно играет роль электромагнитного экрана. То есть замкнутый тороидальный корпус генератора снаружи находится под нулевым потенциалом.

Технический результат заключается в исключении влияния прерывателя тока на изолятор, отделяющий нагрузку от объема формирующей линии из-за снижения возможности преждевременного пробоя по этому изолятору под воздействием продуктов срабатывания прерывателя тока, что способствует повышению надежности генератора при сохранении небольших линейных размеров генератора из-за отсутствия зависимости этих размеров от линейных размеров прерывателя тока. Результат достигается переносом прерывателя тока из приосевой области генератора в область бокового или внешнего электрода и организацией определенной электрической связи между электродами, прерывателем тока, источником тока. Этот технический результат достижим в двух вариантах устройств одного и того же назначения - генераторах-формирователях электромагнитного импульса. Этим обусловлено объединение предлагаемых устройств в заявку на варианты.

Технический результат в генераторе по первому варианту достигается тем, что в отличие от известного генератора, содержащего соединенные последовательно
- источник тока с линией связи,
- по крайней мере один прерыватель тока,
- индуктивный накопитель, выполненный в виде радиальной линии с торообразным проводящим корпусом, образованным внешним цилиндрическим электродом, ограниченным вдоль оси боковыми электродами, электрически соединенными с внешним электродом, а также
- подключенную к выходу индуктивного накопителя параллельно прерывателю тока непосредственно или через обостряющий разрядник нагрузку, в предлагаемом генераторе в радиальную линию соосно торообразному корпусу между двумя боковыми электродами введен дополнительный внутренний цилиндрический электрод, электрически соединенный своим концом с одним из боковых электродов, причем в этом боковом электроде либо во внешнем цилиндрическом электроде организован кольцевой промежуток, прерыватель тока подключен к электродам, образующим промежуток, а источник тока подключен между концом внутреннего цилиндрического электрода, не соединенным с боковым, и корпусом.

Технический результат в генераторе по второму варианту достигается тем, что в отличие от известного генератора, содержащего соединенные последовательно
- по крайней мере один прерыватель тока,
- индуктивный накопитель, выполненный в виде радиальной линии с торообразным проводящим корпусом, образованным внешним цилиндрическим электродом, ограниченным вдоль оси боковыми электродами, электрически соединенными с внешним электродом, а также
- подключенную к выходу индуктивного накопителя параллельно прерывателю тока непосредственно или через обостряющий разрядник нагрузку, в предлагаемом генераторе в радиальную линию соосно торообразному корпусу между двумя боковыми электродами введен дополнительный внутренний цилиндрический электрод, электрически соединенный своими концами с обоими боковыми электродами, причем в одном из боковых электродов либо во внешнем цилиндрическом электроде организован кольцевой промежуток, прерыватель тока подключен к электродам, образующим промежуток, а источник тока подключен к электродам, образующим кольцевой разрез, выполненный между внешним цилиндрическим электродом и одним из боковых.

Общий подход, доказывающий достижимость технического результата в обоих вариантах, выглядит следующим образом. Перенос размыкателя тока из приосевой области генератора, где он находится в непосредственной близости с изолятором, отделяющим формирующую линию от нагрузки (вакуумной полости), в область бокового или внешнего электрода позволяет исключить влияние прерывателя тока на изолятор и предотвратить преждевременный пробой изолятора под воздействием продуктов, появляющихся при срабатывании прерывателя тока, которым могут служить взрывающиеся проводники, плазменные каналы. Особенно сильно это сказывается, когда прерыватель рассчитан на токи порядка сотен и тысяч килоампер. Кроме того, при работе генератора на заданную нагрузку волновое сопротивление генератора должно быть согласовано с сопротивлением нагрузки. Если сопротивление нагрузки мало, то для эффективной передачи тока в низкоомную нагрузку и волновое сопротивление формирующей радиальной линии должно быть малым (порядка сопротивления нагрузки), а это значит, что и линейный размер генератора тоже должен быть небольшим, поскольку линейные размеры генератора-формирователя тороидальной конфигурации однозначно определяются его волновым сопротивлением. Например, для радиальной линии с водой в качестве диэлектрика со средним радиусом ~ 1 м и волновым сопротивлением ~ 0,5 Oм линейный размер составит ~ 7...8 см. В то же время прерыватель тока, особенно на уровнe токов порядка мегаампер, может иметь размеры, превышающие расстояние между боковыми пластинами радиальной линии (линейные размеры генератора), поэтому размещение его в аксиальном направлении подобно прототипу становится невозможным.

Перенос прерывателя тока в область бокового электрода позволяет использовать прерыватели с большими линейными размерами, т.к. радиальный размер генератора-формирователя значительно превышает его линейный размер. Аналогично проблема решается и при размещении прерывателя тока в области внешнего электрода в генераторах-формирователях на основе однородных радиальных линий, т. к. такие линии конусно расширяются в направлении от оси к внешнему электроду.

Перенос прерывателя в каждом из вариантов с сохранением электрической связи элементов токового контура может быть обеспечен благодаря особенностям конструктивного выполнения электродов генератора и соответствующего соединения электродов, прерывателя тока, источника тока в электрический контур, отвечающий эквивалентной электрической схеме. Тогда для первого варианта по признакам формулы возможность размещения прерывателя тока в боковом электроде либо во внешнем цилиндрическом электроде обусловлена организацией кольцевого промежутка в них. Введением в радиальную линию соосно торообразному корпусу между двумя боковыми электродами дополнительного внутреннего цилиндрического электрода, его подключением одним концом к боковому электроду, с размещенным в нем и электрически связанным с электродами, образующими этот промежуток, прерывателя тока, подключением источника тока между не соединенным с боковым электродом концом внутреннего цилиндрического электрода и корпусом, образован замкнутый электрический контур, в котором накапливается магнитная энергия тока, передаваемая из первичного источника тока. При разрыве контура в результате срабатывания прерывателя тока радиальная формирующая линия с током формирует на нагрузке прямоугольный электрический импульс, и энергия, накопленная в линии, передается в нагрузку.

Для второго варианта возможность размещения прерывателя тока в одном из боковых электродов либо во внешнем цилиндрическом электроде также обусловлена организацией кольцевого промежутка в них. Электрический замкнутый контур, в котором накапливается энергия тока от первичного источника, образуется введением в радиальную линию соосно торообразному корпусу между двумя боковыми электродами дополнительного внутреннего цилиндрического электрода, его подключением обоими концами к боковым электродам, размещением в организованном кольцевом промежутке и электрически связанным с электродами, образующими промежуток, прерывателя тока, организацией кольцевого зазора между внешним цилиндрическим электродом и одним из боковых и подключением источника тока между электродами, ограничивающими этот зазор. При срабатывании прерывателя тока формирование импульса происходит аналогично описанному для первого варианта.

Таким образом, для каждого из вариантов расположение прерывателя тока на боковом или внешнем электроде с соответствующим электрическим подключением позволяет сохранить небольшими линейные размеры генератора из-за отсутствия зависимости этих размеров от линейных размеров прерывателя тока, а также установить изолятор, отделяющий нагрузку от формирующей линии, на значительно большем расстоянии от прерывателя тока, что уменьшит вероятность попадания на изолятор продуктов взрыва проводников или плазмы и повысит надежность генератора.

На фиг. 1 изображена схема генератора-формирователя по первому варианту (показана половина сечения, поскольку генератор осесимметричен) с расположением прерывателя тока на боковом электроде;
на фиг. 2 - схема генератора-формирователя по первому варианту с расположением прерывателя тока на наружном цилиндрическом электроде;
на фиг. 3 - схема генератора-формирователя по второму варианту с расположением прерывателя тока на боковом электроде;
на фиг. 4 - схема генератора-формирователя по второму варианту с расположением прерывателя тока на наружном цилиндрическом электроде.

Генератор по первому варианту содержит включенные последовательно источник тока 1 с линией связи 2, торообразный проводящий корпус, образованный внешним цилиндрическим электродом 3 и двумя боковыми электродами 4, электрически соединенными с внешним электродом, внутренний цилиндрический электрод 5, электрически соединенный одним концом с боковым электродом, в этом боковом электроде (фиг. 1) или во внешнем цилиндрическом электроде (фиг. 2) выполнен кольцевой промежуток (а-а), в котором размещен по крайней мере один прерыватель тока 6, подключенный к электродам, образующим этот промежуток. Параллельно прерывателю тока непосредственно или через обостряющий разрядник 7 подключена нагрузка 8. Источник тока 1 подключен к концу внутреннего цилиндрического электрода, не соединенному с боковым, и второму (без прерывателя) боковому электроду (корпусу).

Генератор по первому варианту работает следующим образом. В первоначально замкнутом контуре, образованном накопителем 3,4,5, прерывателем тока 6 и источником тока 1, под действием источника тока устанавливается ток I₀ и энергия в линии запасается в магнитном поле. В процессе установления тока I₀ радиальная линия представляет собой сосредоточенную индуктивность, т.к. время накопления тока значительно превышает электрическую длину линии. В момент времени t = 0 срабатывает прерыватель тока 6, контур индуктивного накопителя разрывается и на выходном конце параллельно прерывателю тока 6 в направлении нагрузки 8 начинает распространяться токовая волна. Радиальная линия начинает работать на нагрузку как короткозамкнутая формирующая линия с током I₀, подключенная к нагрузке R_н (внутреннее сопротивление источника тока мало). При этом ток, передаваемый в нагрузку, равен

где ρ волновое сопротивление линии; R_н- сопротивление нагрузки. Напряжение на нагрузке равно:

При согласовании линии с нагрузкой энергия, запасенная в линии, вся передается в нагрузку. (Условие согласования ρ = R_н), тогда ток в нагрузке напряжение на нагрузке
Длительность импульса будет определяться временем двойного пробега волны по линии.

Генератор по второму варианту содержит включенные последовательно источник тока 1 с линией связи 2, торообразный проводящий корпус, образованный внешним цилиндрическим электродом 3 и двумя боковыми электродами 4, внутренний цилиндрический электрод 5, электрически соединенный своими концами с обоими боковыми электродами. В одном из боковых электродов (фиг. 3) или во внешнем электроде (фиг. 4) выполнен кольцевой промежуток (а-а), в котором размещен по крайней мере один прерыватель тока 6, подключенный к электродам, образующим этот промежуток. Параллельно прерывателю тока 6 непосредственно или через обостряющий разрядник 7 подключена нагрузка 8. Источник тока 1 подключен к электродам, образующим кольцевой зазор, выполненный между внешним цилиндрическим электродом 3 и одним из боковых 4 (зазор в-в). Варианты 1 и 2 отличаются местом подключения источника тока. Генератор по второму варианту работает аналогично описанному для первого варианта.

Описанный генератор (варианты) целесообразно использовать в качестве импульсного источника питания для ускоряющих устройств, для запитки лайнерных, плазменных нагрузок с током ~ 10⁶...10⁷ A, напряжением ~ 10⁶...10⁷ В и длительностью импульса 10^-8...10^-7 с.

Приведем технические характеристики одного из вариантов (по фиг. 3) заявляемого генератора. В генераторе используются однородные радиальные линии. Внешний диаметр D = 3 м, внутренний d = 1 м. В качестве накопителя используются две последовательно соединенные радиальные линии (для увеличения длительности импульса) с волновым сопротивлением ρ = 0,5 Ом. В качестве диэлектрика в линиях используется деионизованная вода. Ток, накапливаемый в линии, - 8 МА. При идеальном размыкателе тока и согласовании линии с нагрузкой в нагрузку будет передаваться импульс, формируемый линией, с длительностью ~ 110 нс, амплитудой тока I = 4 МА, напряжением на нагрузке сопротивлением R_н = 0,5 Ом, равным U = 2•10⁶ В. При этом линейные размеры генератора составили 8 см. Надежность работы выросла в два раза.

Следовательно, в предложенном генераторе сгенерирован и сформирован электрический импульс на нагрузке 0,5 Ом с током в нагрузке 4 МА, напряжением 2•10⁶ B, длительностью ~ 110 нс. Исключено влияние плазменного прерывателя тока на изолятор из-за его переноса от прерывателя тока, т.е. повышена надежность генератора в 2 раза, сохранены малые линейные размеры генератора из-за обеспечения независимости их от линейных размеров прерывателя тока (линейные размеры плазменного прерывателя тока превышают 8 см).