RU2115226C1

RU2115226C1 - High-voltage pulse generator

Info

Publication number: RU2115226C1
Application number: RU95116689A
Authority: RU
Inventors: В.П. Ковалев
Original assignee: Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики; Министерство РФ по атомной энергии
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: direct-action accelerators for generating high-power radiation fluxes in thermonuclear investigations. SUBSTANCE: generator has primary energy storage, storage inductance coil, switching tube, plasma release, load, and nonlinear resistor placed in parallel with plasma release at output of primary energy storage; maximum value of nonlinear resistor is chosen to be higher than maximum resistance of plasma release and each of them to be higher than load resistance. EFFECT: improved reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к генерированию импульсов, в частности к генераторам высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии. The invention relates to pulse generation, in particular to high-voltage pulse generators with inductive energy storage.

Мощные генераторы высоковольтных импульсов находят широкое применение в ускорителях прямого действия при генерации мощных потоков излучений в термоядерных исследованиях. Powerful high-voltage pulse generators are widely used in direct-action accelerators in the generation of powerful radiation fluxes in thermonuclear research.

Известен генератор [1], состоящий из накопителя емкостного типа, последовательно включенных индуктивностей, разделенных разрядниками, и электрически взрывающихся проводников (ЭВП). При разрядке емкостного накопителя через первую индуктивность и ЭВП последние взрываются и на индуктивности формируется высоковольтный импульс, который пробивает разрядник. Ток первого контура заряжает вторую из последовательных индуктивностей и при взрыве следующих ЭВП генерируется следующий импульс. Недостатком данного аналога является необходимость замены ЭВП после каждого срабатывания, наличие выброса токсичных газов и паров после взрыва ЭВП. A known generator [1], consisting of a capacitive type drive, series-connected inductors separated by arresters, and electrically exploding conductors (EEC). When the capacitive storage is discharged through the first inductance and the EEC, the latter explode and a high-voltage pulse is generated at the inductance, which breaks the spark gap. The current of the primary circuit charges the second of the series inductances, and upon the explosion of the following EECs, the next pulse is generated. The disadvantage of this analogue is the need to replace the EEC after each operation, the release of toxic gases and vapors after the explosion of the EEC.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является генератор ГИТ-4 [2]. Генератор содержит индуктивный накопитель, который выполнен из отрезков вакуумной коаксиальной линии и собственно первичного накопителя энергии, состоящего из 36 параллельно соединенных генераторов Аркадиева-Маркса, плазменный размыкатель, состоящий из коаксиального вакуумного промежутка, содержащего 64 плазменных пушек, генерирующих плазму. Разрядный ток, проходящий по плазме при определенных условиях, размыкается и на индуктивности формируется импульс напряжения. На нагрузке достигается электрическая мощность до 3 ТВт при коэффициенте перенапряжения, равном ≈ 3. Ток нагрузки 3 МА. Время проводимости тока в плазменном размыкателе доходит до ≈ 1 мкс. The closest in technical essence to the claimed device and selected as a prototype is a generator GIT-4 [2]. The generator contains an inductive storage device, which is made up of segments of a vacuum coaxial line and the primary energy storage device itself, consisting of 36 parallel-connected Arkadiev-Marx generators, a plasma circuit breaker consisting of a coaxial vacuum gap containing 64 plasma guns generating plasma. The discharge current passing through the plasma under certain conditions is opened and a voltage pulse is formed at the inductance. An electrical power of up to 3 TW is achieved at a load with an overvoltage coefficient of ≈ 3. A load current of 3 MA. The current conduction time in the plasma circuit breaker reaches ≈ 1 μs.

Основным недостатком генератора - прототипа является ограниченность эксплуатационных возможностей, заключающаяся в недостаточно высокой надежности из-за большого количества коммутационных элементов (разрядников) и обусловленная невозможностью получения больших токов (много больше одного мегоампера). Действительно, чтобы получить увеличение амплитуды тока в нагрузке, необходимо добавить к имеющимся 36 генераторам еще определенное количество генераторов Аркадиева-Маркса, соединив их параллельно с имеющимися. Однако это приведет к увеличению времени нарастания разрядного тока более, чем 1 мкс и резкому снижению КПД генератора. Как известно, плазменный размыкатель в настоящее время не может использоваться из-за существенной нестабильности работы в области времени нарастания тока в разрядном контуре более 1 мкс. The main disadvantage of the prototype generator is the limited operational capabilities, consisting in insufficiently high reliability due to the large number of switching elements (arresters) and due to the inability to obtain large currents (much more than one megoampere). Indeed, in order to obtain an increase in the amplitude of the current in the load, it is necessary to add to the existing 36 generators a certain number of Arkadiev-Marx generators, connecting them in parallel with the existing ones. However, this will lead to an increase in the rise time of the discharge current of more than 1 μs and a sharp decrease in the efficiency of the generator. As is known, a plasma circuit breaker cannot be used at present because of the significant instability of operation in the region of the rise time of the current in the discharge circuit of more than 1 μs.

Таким образом, предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию генератора импульсов высокого напряжения с расширенными эксплуатационными возможностями. Технический же результат при решении этой задачи выразится в увеличении амплитуды тока в нагрузке при любом времени нарастания тока в разрядном контуре без снижения оптимального значения КПД генератора. Thus, the present invention is aimed at solving the problem of creating a high voltage pulse generator with extended operational capabilities. The technical result in solving this problem will be expressed in an increase in the amplitude of the current in the load at any time of increase in current in the discharge circuit without reducing the optimal value of the generator efficiency.

Это достигается тем, что генератор импульсов высокого напряжения, содержащий первичный накопитель энергии, накопительную индуктивность, коммутирующий разрядник, плазменный размыкатель и нагрузку, согласно изобретению, снабжен нелинейным резистором, установленным параллельно плазменному размыкателю непосредственно на выходе первичного накопителя энергии, при этом величина максимального сопротивления нелинейного резистора (R $\binom{max}{н.р.}$ ) выбрана больше максимального сопротивления плазменного размыкателя (R $\binom{max}{п.р.}$ ) и каждое из них - больше сопротивления нагрузки (R $\binom{max}{н}$ ) , т.е.This is achieved by the fact that the high voltage pulse generator containing the primary energy storage device, the storage inductance, the switching arrester, the plasma circuit breaker and the load, according to the invention, is equipped with a non-linear resistor mounted parallel to the plasma circuit breaker directly at the output of the primary energy storage device, while the maximum non-linear resistance value resistor (R $\binom{max}{n.a.}$ ) greater than the maximum resistance of the plasma breaker (R $\binom{max}{etc.}$ ) and each of them is more load resistance (R $\binom{max}{n}$ ), i.e.

R $\binom{max}{н.р.}$ > R $\binom{max}{н.п.}$ > R $\binom{max}{н}$
Последнее условие является необходимым, т.к. если оно не будет соблюдено, то введение нелинейного резистора в предлагаемый генератор будет бессмысленным. Действительно, предположим, что
R_н.р. < R_п.р. < R_н,
тогда ток из нелинейного резистора или практически не перебросится в плазменный размыкатель (если R_п.р. > R_н.р.), или распределится пополам (R_п.р. = R_н.р.). Аналогично, при R_п.р. < R_н ток не потечет через нагрузку или потечет с меньшей, по крайней мере в 2 раза, амплитудой (R_п.р. = R_н). Таким образом, в этом случае генератор или совсем не будет работать (при R_н.р. < R_п.р. < R_н), или будет работать, но с существенно меньшим КПД (при R_н.р. = R_п.р. = R_н).R $\binom{max}{n.a.}$ > R $\binom{max}{n.p.}$ > R $\binom{max}{n}$
The last condition is necessary because if it is not observed, then the introduction of a nonlinear resistor in the proposed generator will be meaningless. Indeed, suppose that
R _n.r. <R _a.s. <R _n
then the current from the nonlinear resistor will either practically not be transferred to the plasma circuit breaker (if R _bp > R _bp ), or it will be distributed in half (R _bp = R _bp ). Similarly, for R _a.s. <R _{n the} current does not flow through the load or flows with less than at least 2 times the amplitude (R _RR = R _n ). Thus, in this case, the generator either will not work at all (at R _n.p. <R _p.p. <R _n ), or it will work, but with a significantly lower efficiency (at R _n.p. = R _{p. p.} = R _n ).

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволил выявить новую совокупность существенных признаков, обусловленных снабжением генератора нелинейным резистором, подключенным определенным образом. Поэтому заявляемый генератор отвечает критерию "новизна". A comparative analysis of the present invention with the prototype revealed a new set of essential features due to the supply of the generator with a nonlinear resistor connected in a certain way. Therefore, the inventive generator meets the criterion of "novelty."

На чертеже представлена электрическая схема заявленного генератора импульсов высокого напряжения, содержащего последовательно соединенные коммутирующий разрядник 1, емкостный первичный накопитель энергии 2, индуктивный накопитель 3, соединительный проводник аб , обладающий индуктивностью 4, и нагрузку 6, обладающую индуктивностью 5, параллельно нагрузке 6 подключены плазменный размыкатель 7 и нелинейный резистор 8, причем последний подключен одним выводом к точке, т.е. между индуктивным накопителем 3 и индуктивностью проводника 4, а другим - к обратному токопроводу ("земле" схемы). Плазменный размыкатель 7 подсоединен аналогично, между точкой б, т.е. между индуктивностью проводника 4 и индуктивностью нагрузки 5 и "землей" схемы генератора. Индуктивности соединительного проводника 4 и нагрузки 5, которые являются конструктивными элементами, делаются минимальными. The drawing shows an electrical diagram of the inventive high-voltage pulse generator containing a series-connected switching arrester 1, capacitive primary energy storage 2, inductive storage 3, connecting conductor ab having inductance 4, and load 6 having inductance 5, a plasma circuit breaker is connected in parallel to load 6 7 and non-linear resistor 8, the latter being connected by one output to a point, i.e. between the inductive storage 3 and the inductance of the conductor 4, and the other to the reverse current path ("ground" circuit). The plasma switch 7 is connected in the same way between point b, i.e. between the inductance of conductor 4 and the inductance of load 5 and the ground of the generator circuit. The inductances of the connecting conductor 4 and load 5, which are structural elements, are made minimal.

Работает генератор следующим образом. The generator operates as follows.

При срабатывании коммутирующего разрядника 1 в контуре 2-3-8 начинает нарастать ток. С его ростом начинает нелинейно расти величина сопротивления резистора 8. В максимуме тока (через время ≈ Т/4) срабатывает плазменный размыкатель 7 (сопротивление плазмы мало) и ток из-за большой разницы сопротивлений резистора 8 и размыкателя 7 перебрасывается в контур 2-3-4-7. Через время, оптимальное для размыкателя (обычно 100 - 200 нс), происходит размыкание размыкателя 7, в точке б формируется импульс напряжения и ток при достигнутом импульсе напряжения замыкается в нагрузку 6 по контуру 1-2-3-4-5-6. Так как общее сопротивление цепочки 5 - 6 много меньше сопротивления резистора 8, практически вся энергия, накопленная в индуктивностях 3 - 4, перебрасывается в нагрузку 6. When the switching arrester 1 is activated, the current starts to increase in the circuit 2-3-8. With its growth, the resistance value of resistor 8 starts to grow nonlinearly. At the maximum of the current (after time ≈ T / 4), the plasma breaker 7 is activated (the plasma resistance is small) and the current due to the large difference in the resistances of the resistor 8 and the breaker 7 is transferred to circuit 2-3 -4-7. After a time optimal for the circuit breaker (usually 100 - 200 ns), the circuit breaker 7 opens, a voltage pulse is formed at point b and the current when the voltage pulse is reached is closed to load 6 along the circuit 1-2-3-4-5-6. Since the total resistance of the circuit 5 - 6 is much less than the resistance of the resistor 8, almost all the energy stored in the inductors 3 - 4 is transferred to the load 6.

Таким образом, включение нелинейного резистора 8 в схему генератора позволяет коммутировать разрядные контура мощных генераторов с большими временами нарастания тока (более 1 мкс) с помощью плазменных коммутаторов наносекундного диапазона. В качестве нелинейного резистора может быть использован проводник из тугоплавкого металла (например вольфрама или молибдена), у которого при нагреве до каления изменяется сопротивление на порядок. Начальное сопротивление нелинейного резистора выбирается много меньше волнового сопротивления разрядного контура, тогда оно оказывает минимальное влияние на амплитуду разрядного тока контура. Thus, the inclusion of a nonlinear resistor 8 in the generator circuit allows the discharge circuits of high-power generators to be switched with large current rise times (more than 1 μs) using plasma switches of the nanosecond range. As a non-linear resistor, a conductor made of refractory metal (for example, tungsten or molybdenum) can be used, in which the resistance changes by an order of magnitude when heated to red-hot. The initial resistance of the nonlinear resistor is chosen much less than the wave resistance of the discharge circuit, then it has a minimal effect on the amplitude of the discharge current of the circuit.

Включение нелинейного резистора 8 позволило в качестве первичного накопителя энергии использовать конденсаторные батареи, заряжаемые от источников постоянного тока, вместо генераторов импульсов напряжения (ГИН) прототипа. Это привело к повышению надежности заявляемого генератора импульсов высокого напряжения по сравнению с прототипом. The inclusion of a nonlinear resistor 8 made it possible to use capacitor banks charged from direct current sources instead of voltage pulse generators (GIN) of the prototype as a primary energy storage device. This led to an increase in the reliability of the inventive high-voltage pulse generator in comparison with the prototype.

Использование настоящего изобретения позволяет создавать простые по конструкции и дешевые генераторы высоковольтных импульсов большой мощности для применения в ускорительной технике. Это позволяет разработать и внедрить в практику компактные и недорогие установки для использования как в радиационных исследованиях, так и для целей биологии, литографии и т.п. Using the present invention allows to create simple in design and cheap generators of high-voltage pulses of high power for use in accelerator technology. This allows you to develop and put into practice compact and inexpensive installations for use both in radiation research, and for the purposes of biology, lithography, etc.

Claims

A high voltage pulse generator comprising a primary energy storage device connected in series, an inductive storage device, a switching arrester, a plasma circuit breaker and a load connected in parallel to it, characterized in that the generator is equipped with a non-linear resistor connected in parallel with the plasma circuit breaker at the output of the primary energy storage device, with a maximum resistance of the nonlinear resistor is selected greater than the maximum resistance of the plasma circuit breaker and each of x - more load resistance.