УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МЕГААМПЕРНОГО ИМПУЛЬСА ТОКА В ЛАЙНЕРНОЙ НАГРУЗКЕ

Изобретение относится к области электрофизики и может быть использовано для формирования мегаамперных импульсов тока с целью создания мощных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ).

Высокотемпературная плазма Z-пинча, излучающая под действием давления магнитного поля тока, является мощным источником МРИ. Энергия, излучаемая пинчем, растет с увеличением амплитуды, а мощность увеличивается с уменьшением длительности фронта (обострением) импульса тока, проходящего через лайнерную нагрузку. Для запитки мощных источников МРИ альтернативой стационарным быстродействующим установкам являются сравнительно быстро и легко изготавливаемые, относительно компактные и недорогие взрывомагнитные генераторы (ВМГ), оснащаемые устройствами формирования тока. На финальной стадии формирования импульса тока ВМГ в качестве основного элемента таких устройств может использоваться плазменно-потоковый размыкатель в конфигурации «обратный пинч».

Конфигурация «обратный пинч» представляет собой полую цилиндрическую электропроводящую лайнерную сборку размыкателя, охватывающую прямой токопровод. Прямой токопровод подсоединен к выходу генератора, а лайнерная сборка размыкателя подключена к прямому токопроводу электрически параллельно с лайнерной сборкой нагрузки. Вследствие меньшего исходного импеданса лайнерной сборки размыкателя по сравнению с импедансом лайнерной сборки нагрузки, электрический контур последней в течение некоторого времени (времени удержания) находится в практически отключенном состоянии. На этой стадии основная часть тока генератора протекает через лайнерную сборку размыкателя и в результате нагрева переводит ее в плазменное состояние. Образующаяся плазма испытывает радиальное ускорение наружу (эксплодирует) под действием давления магнитного поля тока, протекающего по прямому токопроводу. В некоторый момент времени плазма вылетает из межэлектродного зазора. При этом резко растет импеданс электрического контура размыкателя и ток генератора перебрасывается в лайнерную сборку нагрузки, переводя ее в плазменное состояние. В результате имплозии на ось плазмы лайнерной сборки нагрузки образуется излучающий Z-пинч. Преимуществами конфигурации «обратный пинч» являются: 1) возможность размещения лайнерной сборки размыкателя в непосредственной близости от лайнерной сборки нагрузки: это позволяет снизить суммарную индуктивность устройства, что особенно важно при использовании низкоимпедансного ВМГ в качестве быстродействующего источника электромагнитной энергии; 2) возможность разделения рабочих объемов таким образом, что в процессе работы «обратного пинча» его плазма не перекрывает измерительные каналы и не загрязняет плазму Z-пинча; 3) уменьшение вероятности вторичного пробоя в контуре лайнерной сборки размыкателя и повышение качества обострения импульса тока за счет более резкого снижения электропроводящих свойств плазмы размыкателя вследствие более эффективной разгрузки (уменьшения плотности) вещества в конфигурации «обратный пинч» по сравнению с другими конфигурациями плазменно-потоковых размыкателей.

Известно устройство для формирования токового импульса в лайнерной нагрузке с использованием магнитного открывающего ключа в конфигурации «обратный пинч» [V.K. Chernyshev, V.N. Mokhov, А.А. Petrukhin, V.A. Vasyukov, A.V. Ivanosky, I.R. Lindemuth, R.E. Reinovsky, V.L. Achison, and R.I. Fahel. Experiment on Accelerating the Cylindrically Converged Liner by Single-Turn EMG using Magnetic Opening Switch in: Proceedings of the 15th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS'2004), edited by V. Engelko, V. Glukhikh, G. Mesyats, V. Smimov, Saint-Peterburg, 2005, p.853].

В известном устройстве ток от ВМГ сначала протекает по первичному накопительному электрическому контуру, состоящему из прямого и обратного токопроводов. В обратном токопроводе располагается подвижная кольцевая перемычка, являющаяся лайнером размыкателя в конфигурации «обратный пинч» (авторы его называют магнитным открывающим ключом). Под действием магнитного давления кольцевая перемычка, расширяясь в радиальном направлении, вылетает наружу. В результате в обратном токопроводе первичного накопительного контура образуется кольцевой зазор, благодаря которому электромагнитная энергия начинает поступать (перебрасывается) во вторичный параллельно подключенный электрический контур с твердотельным цилиндрическим лайнером нагрузки.

Основными недостатками известного устройства, определяющими его практическую непригодность для генерации МРИ, являются: большое время (≈8 мкс) переключения тока (≈18 МА) в лайнерную нагрузку и размещение устройства в воздухе атмосферного давления. Длинный фронт импульса тока, сформированного в лайнерной нагрузке известного устройства, обусловлен относительно малой (~10⁵ см/с) скоростью вылета подвижной кольцевой перемычки из обратного токопровода. Низкая скорость вылета, в свою очередь, связана с большой массой, а, следовательно, инерцией используемой перемычки, остающейся в процессе переброса тока в конденсированном состоянии.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному устройству для формирования мегаамперного импульса тока в лайнерной нагрузке с использованием конфигурации «обратный пинч», представленному в работе [G.C. Burdiak, S. V. Lebedev, A. J. Harvey-Thompson, G. N. Hall, G. F. Swadling, F. Suzuki-Vidal, E. Khoory, S. N. Bland, L. Pickworth, P. de Grouchy, J. Skidmore, L. Suttle, and E. M. Waisman, «Characterisation of the current switch mechanism in two-stage wire array Z-pinches», Physics of Plasmas 22, 112710 (2015); doi: 10.1063/1.4936278]. Устройство применялось на сравнительно слаботочной, но достаточно быстродействующей для генерации МРЙ установке Magpie (Великобритания).

Устройство для формирования импульса тока в лайнерной нагрузке по прототипу содержит соосно расположенные в вакууме центральный электрод в виде системы дисковых электродов, первое и второе электродные кольца, прямой и обратный токопроводы. Между одним из дисковых электродов и первым электродным кольцом расположена цилиндрическая лайнерная сборка размыкателя. А между другим дисковым электродом и вторым электродным кольцом расположена цилиндрическая лайнерная сборка нагрузки. При этом прямой токопровод, предназначенный для подвода к сборкам размыкателя и нагрузки тока от генератора, электрически соединен с центральным электродом и проходит через первое электродное кольцо, а обратный токопровод электрически соединен с обоими электродными кольцами по периферии.

Принцип действия устройства по прототипу мало отличается от принципа работы выше рассмотренного аналога. В отличие от аналога в прототипе использованы многопроволочные лайнерные сборки размыкателя и нагрузки, находящиеся в вакууме и имеющие меньшие по сравнению с лайнерами аналога массы и, соответственно, большую максимальную скорость. Обострение импульса тока в лайнерной сборке нагрузки устройства по прототипу составляет ~2 (переброшен ток 0,7 МА за 100…150 не). Время удержания лайнерной сборки нагрузки в практически отключенном от генератора состоянии (dwell time) составляет ~100 не. Данные о генерируемом Z-пинчем импульсе МРИ не приводятся.

Основным недостатком устройства по прототипу является низкая эффективность его работы в случае запитки импульсом тока с микросекундным временем нарастания, что характерно для работы мультимегаамперных ВМГ. При такой длительности запитки требуется обеспечить времена удержания лайнерной сборки нагрузки в практически отключенном от генератора состоянии в несколько раз большие, чем были получены в эксперименте.

Кроме того, часть тока, поступающего в устройство от генератора, сразу протекает по лайнерной сборке нагрузки. Это снижает качество формируемого импульса тока и приводит к преждевременному нагреву, плавлению и испарению вещества лайнерной сборки нагрузки, а, следовательно, к ухудшению параметров имплозии. Отверстие во втором электродном кольце при коротком (~100 не) импульсе перебрасываемого тока и малом (8-17 мм) диаметре используемой лайнерной сборки нагрузки, по-видимому, не влияет на формирование импульса тока в устройстве по прототипу, но при переходе к более длинному фронту перебрасываемого импульса тока и, соответственно, использованию лайнерной сборки нагрузки большего диаметра отсутствие данной части электродной системы может приводить к существенной разгрузке вещества в процессе имплозии, а, следовательно, к снижению пиковой мощности генерируемого Z-пинчем импульса МРИ.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является генерация мультитераваттного импульса МРИ с помощью устройства для формирования мегаамперного импульса тока в лайнерной нагрузке при запитке устройства от генератора, в том числе от ВМГ, импульсом тока с микросекундным временем нарастания.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы устройства за счет увеличения времени удержания контура лайнерной сборки нагрузки в практически отключенном от контура лайнерной сборки размыкателя состоянии при запитке устройства мегаамперным импульсом тока с микросекундным временем нарастания и за счет улучшения параметров имплозии лайнерной нагрузки.

Технический результат достигается тем, что в разработанном устройстве для формирования мегаамперного импульса тока в лайнерной нагрузке, содержащем соосно расположенные в вакууме центральный электрод, первое и второе электродные кольца, прямой и обратный токопроводы, а также расположенные между центральным электродом и первым и вторым электродными кольцами, соответственно, цилиндрические лайнерные сборки размыкателя и нагрузки, при этом прямой токопровод, предназначенный для подвода к сборкам тока от генератора, электрически соединен с центральным электродом и проходит через первое электродное кольцо, а обратный токопровод электрически соединен с электродными кольцами по периферии, новым является то, что центральный электрод выполнен в виде общего для обеих сборок диска, диаметр которого больше диаметра сборки размыкателя, а во второе электродное кольцо вставлена электропроводящая заглушка, к которой электрически присоединена лайнерная сборка нагрузки.

Заглушка может быть вставлена во второе электродное кольцо с обеспечением электрического контакта или с образованием кольцевого вакуумного зазора, а зазор дополнительно может быть заполнен диэлектриком.

Выполнение центрального электрода в виде общего для обеих лайнерных сборок диска с вынесенной в радиальном направлении разгонной частью, образованной за счет большего диаметра центрального электрода по сравнению с диаметром лайнерной сборки размыкателя, позволяет управлять как моментом времени, так и скоростью вылета плазмы лайнерной сборки размыкателя из межэлектродного промежутка. Разгонная часть увеличивает длительность фазы проводимости лайнерной сборки размыкателя, вследствие чего контур лайнерной сборки нагрузки может дольше и эффективнее удерживаться в практически отключенном от контура размыкателя состоянии. Кроме того, вынесенная в радиальном направлении разгонная часть центрального электрода выполняет функцию пространственного разделителя рабочих объемов размыкателя и нагрузки таким образом, что в процессе работы «обратного пинча» его плазма меньше загрязняет рабочий объем нагрузки.

В осевое отверстие второго электродного кольца вставлена электропроводящая заглушка, к которой присоединена лайнерная сборка нагрузки. Заглушка препятствует утечке вещества в осевом направлении, ограничивая расширение плазмы в процессе имплозии лайнерной сборки нагрузки. Этот отличительный признак заявляемого устройства обеспечивает улучшение параметров имплозии, что ведет к увеличению пиковой мощности генерируемого Z-пинчем импульса МРИ.

Наличие кольцевого вакуумного зазора или зазора, заполненного диэлектриком, в электрическом контуре лайнерной сборки нагрузки дополнительно позволяет управлять моментом времени ее подключения к параллельному контуру лайнерной сборки размыкателя. Управление осуществляется с помощью выбора величины и формы вакуумного зазора, или выбором материала и формы диэлектрика. Этот отличительный признак заявляемого устройства препятствует протеканию тока через лайнерную сборку нагрузки в процессе эксплозии плазмы лайнерной сборки размыкателя. Повышение эффективности работы устройства обеспечивается за счет отсутствия преждевременного нагрева, плавления и испарения вещества лайнерной сборки нагрузки.

На Фиг. 1 представлена схема, а на Фиг. 2 вариант исполнения конструкции заявляемого устройства, где обозначены основные элементы: 1 - подводящая вакуумная линия от генератора; 2 - прямой токопровод; 3 - обратный токопровод; 4 - цилиндрическая лайнерная сборка размыкателя; 5 - цилиндрическая лайнерная сборка нагрузки; 6 - центральный электрод, внешний диаметр которого больше диаметра сборки размыкателя; 7 - первое электродное кольцо; 8 - второе электродное кольцо; 9 - электропроводящая заглушка.

Устройство для формирования мегаамперного импульса тока в лайнерной нагрузке содержит соосно расположенные в вакууме центральный электрод 6, первое 7 и второе 8 электродные кольца, прямой 2 и обратный 3 токопроводы, а также расположенные между центральным электродом 6 и первым 7 и вторым 8 электродными кольцами, соответственно, цилиндрические, лайнерные сборки размыкателя 4 и нагрузки 5. Прямой токопровод 2, предназначенный для подвода тока от генератора (на Фигурах не показан) по вакуумной передающей линии 1, электрически соединен с центральным электродом 6 и проходит через первое электродное кольцо 7, а обратный токопровод 3 электрически соединен с электродными кольцами 7 и 8 по периферии. Центральный электрод 6 выполнен в виде общего для обеих сборок диска, диаметр которого больше, чем диаметр лайнерной сборки размыкателя 4. Образованная разностью диаметров и вынесенная в радиальном направлении разгонная часть диска дополнительно отделяет сборки 4 и 5 друг от друга. В осевое отверстие второго электродного кольца 8 вставлена электропроводящая заглушка 9, к которой присоединена лайнерная сборка нагрузки 5.

При работе заявляемого устройства импульс тока от генератора подводится по прямому токопроводу 2 к лайнерной сборке размыкателя 4. В процессе протекания тока вещество лайнерной сборки размыкателя переходит в плазменное состояние и под действием силы Ампера начинает разгоняться наружу (эксплодирует) в радиальном направлении. Радиус центрального электрода 6 подбирается таким образом, чтобы момент вылета токо-плазменной лайнерной оболочки из межэлектродного промежутка происходил вблизи максимума импульса подводимого к устройству тока, а скорость вылета лежала в диапазоне 10⁶-10⁷ см/с.В результате вылета оболочки резко возрастает импеданс электрического контура размыкателя, включающего прямой токопровод 2, саму лайнерную сборку размыкателя 4, часть центрального электрода 6 и первое электродное кольцо 7, и происходит размыкание данного токового контура. Оставшаяся часть токового импульса генератора, в результате размыкания, перебрасывается в подключенный параллельно электрический контур нагрузки, включающий прямой токопровод 2, часть центрального электрода 6, лайнерную сборку нагрузки 5, второе электродное кольцо 8 с заглушкой 9, обратный токопровод 3 и первое электродное кольцо 7. При протекании переброшенного тока по лайнерной сборке нагрузки 4 она переходит в плазменное состояние и под действием силы Ампера начинает разгоняться внутрь (имплодирует) к оси. В результате имплозии на оси формируется плотный столб плазмы (Z-пинч), генерирующий мощный импульс МРИ.

В качестве примера реализации изобретения на Фиг. 3 представлена фотография варианта исполнения устройства для формирования мегаамперного импульса тока в лайнерной нагрузке. Устройство запитывалось от лабораторного генератора импульсом тока с амплитудой 2 МА и длительностью фронта 1 мкс. В качестве лайнерной сборки размыкателя использовалась многопроволочная цилиндрическая сборка диаметром 114 мм высотой 10 мм, состоящая из 30 вольфрамовых проволочек диаметром 4 мкм. В качестве лайнерной сборки нагрузки использовалась многопроволочная цилиндрическая сборка диаметром 60 мм высотой 15 мм, состоящая из 45 вольфрамовых проволочек диаметром 8 мкм.

На Фиг. 4 приведены осциллограммы импульсов тока, полученные с помощью поясов Роговского, где: а) ток, подводимый к устройству от генератора; б) и в) импульсы тока, переброшенные в лайнерную сборку нагрузки в экспериментах с базовым и увеличенным диаметром центрального электрода, соответственно. Задержка начала интенсивного переброса тока при уменьшенной длине разгонной части центрального электрода находится вблизи момента достижения током генератора своего максимального значения. Обострение импульса тока в нагрузке достигало ~2. По амплитуде переброшенного в нагрузку импульса тока устройство превосходит прототип в ~2 раза. По основному ключевому параметру: времени удержания нагрузки в практически отключенном от генератора состоянии, разработанная конструкция превосходит прототип в 10 раз (dwell time составляет ~1 мкс).

На Фиг. 5 приведены осциллограммы импульсов МРИ, генерируемых Z-пинчем в процессе имплозии лайнерной сборки нагрузки, для двух вариантов исполнения устройства: с использованием заглушки, вставленной с обеспечением электрического контакта (сплошная линия), и заглушки, вставленной с кольцевым вакуумным зазором (штриховая линия). Осциллограммы получены с помощью детекторов МРИ, расположенных за алюминиевыми фильтрами. Вакуумный зазор препятствует протеканию тока в лайнерной сборке нагрузки во время эксплозии плазмы лайнерной сборки размыкателя, что ведет к росту пиковой мощности генерируемого импульса МРИ в ~3 раза.