RU2694819C1 - Device for generation of mega-ampere current pulse in liner load - Google Patents
Device for generation of mega-ampere current pulse in liner load Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694819C1 RU2694819C1 RU2018126108A RU2018126108A RU2694819C1 RU 2694819 C1 RU2694819 C1 RU 2694819C1 RU 2018126108 A RU2018126108 A RU 2018126108A RU 2018126108 A RU2018126108 A RU 2018126108A RU 2694819 C1 RU2694819 C1 RU 2694819C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liner
- load
- electrode
- current
- assembly
- Prior art date
Links
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 18
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 12
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 241001137251 Corvidae Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005713 exacerbation Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
- H05H1/04—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using magnetic fields substantially generated by the discharge in the plasma
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрофизики и может быть использовано для формирования мегаамперных импульсов тока с целью создания мощных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ).The invention relates to the field of electrophysics and can be used to form megaamper current pulses in order to create powerful sources of soft x-ray radiation (MRI).
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».The high-temperature plasma Z-pinch, emitting under the action of the pressure of the magnetic field of the current, is a powerful source of MRI. The energy emitted by a pinch increases with increasing amplitude, and the power increases with decreasing front duration (exacerbation) of a current pulse passing through a liner load. For powering high-power sources of MRIs, the alternative to stationary high-speed installations are relatively fast and easy to manufacture, relatively compact and inexpensive explosive magnetic generators (VMG), equipped with current-forming devices. At the final stage of the formation of the current pulse of the VMG, a plasma-stream breaker in the “reverse pinch” configuration can be used as the main element of such devices.
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.The “reverse pinch” configuration is a hollow cylindrical electrically conductive liner disconnector assembly, covering the forward conductors. The direct conductor is connected to the generator output, and the liner assembly of the breaker is connected to the direct conductor electrically in parallel with the liner assembly of the load. Due to the smaller initial impedance of the liner assembly of the breaker compared with the impedance of the liner assembly of the load, the electrical circuit of the latter for some time (holding time) is in a practically off state. At this stage, the main part of the generator current flows through the liner assembly of the breaker and, as a result of heating, converts it to the plasma state. The resulting plasma undergoes radial acceleration outward (it explodes) under the action of the pressure of the magnetic field of the current flowing through the direct conductor. At some point in time, the plasma flies out of the interelectrode gap. In this case, the impedance of the electrical circuit of the breaker increases sharply and the generator current is transferred to the liner load assembly, transferring it to the plasma state. As a result of implosion, a radiating Z-pinch is formed on the plasma axis of the liner assembly. The advantages of the “reverse pinch” configuration are: 1) the possibility of placing the liner assembly of the breaker in the immediate vicinity of the liner load assembly: this reduces the total inductance of the device, which is especially important when using a low-impedance EMG as a high-speed source of electromagnetic energy; 2) the possibility of separating the working volumes in such a way that during the work of the “reverse pinch” its plasma does not block the measuring channels and does not pollute the Z-pinch plasma; 3) reducing the likelihood of secondary breakdown in the circuit of the liner assembly of the breaker and improving the quality of current pulse sharpening due to a sharp decrease in the electrically conductive properties of the breaker plasma due to a more efficient unloading (decrease in density) of the substance in the “reverse pinch” configuration compared to other configurations of plasma-stream breakers .
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].A device is known for generating a current pulse in a liner load using a magnetic opening key in a “reverse pinch” configuration [V.K. Chernyshev, V.N. Mokhov, A.A. Petrukhin, V.A. Vasyukov, A.V. Ivanosky, I.R. Lindemuth, R.E. Reinovsky, V.L. Achison, and R.I. Fahel. Experiment on the Cylindrically Converged Liner for Single-Turn EMG using 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.In the known device, the current from the VMG first flows through the primary accumulative electric circuit consisting of forward and reverse conductors. In the reverse conductor there is a movable ring jumper, which is the liner of the disconnector in the configuration “reverse pinch” (the authors call it the magnetic opening key). Under the action of magnetic pressure ring bridge, expanding in the radial direction, flies out. As a result, an annular gap is formed in the return conductor of the primary storage circuit, due to which electromagnetic energy begins to flow (transfer) to the secondary parallel-connected electrical circuit with a solid-state cylindrical load liner.
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.The main disadvantages of the known device, which determine its practical unsuitability for the generation of MRI, are: a long time (≈8 µs) switching current (≈18 MA) in the liner load and placing the device in atmospheric pressure air. The long front of the current pulse generated in the liner load of the known device is due to the relatively small (~ 10 5 cm / s) departure rate of the movable ring bridge from the return conductor. Low take-off speed, in turn, is associated with a large mass, and, consequently, the inertia of the jumper used, which remains in the process of current transfer in a condensed state.
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).The set of features closest to the set of essential features of the invention is inherent in the known device for generating a megaamper current pulse in a liner load using the “reverse pinch” configuration presented in [G.C. Burdiak, SV Lebedev, AJ Harvey-Thompson, GN Hall, GF Swadling, F. Suzuki-Vidal, E. Khoory, SN Bland, L. Pickworth, P. de Grouchy, J. Skidmore, L. Suttle, and EM Waisman, "Z-pinches" characterization of the current switch mechanism, Physics of Plasmas 22, 112710 (2015); doi: 10.1063 / 1.4936278]. The device was used on a relatively low current, but fast enough to generate an MRI setup Magpie (UK).
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.The device for forming a current pulse in the liner load of the prototype contains coaxially arranged in vacuum a central electrode in the form of a system of disk electrodes, the first and second electrode rings, the forward and reverse conductors. Between one of the disk electrodes and the first electrode ring there is a cylindrical liner disconnector assembly. And between the other disk electrode and the second electrode ring there is a cylindrical liner load assembly. In this case, the forward conductor, intended for supplying the breaker assemblies and the current load from the generator, is electrically connected to the central electrode and passes through the first electrode ring, and the return conductor is electrically connected to both electrode rings at the periphery.
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.The principle of operation of the device according to the prototype differs little from the principle of operation of the above considered analog. Unlike the analogue, the prototype used multiwire liner disconnector assemblies and loads that are in vacuum and have a smaller mass and, consequently, a greater maximum speed than the analogue liners. The aggravation of the current pulse in the liner assembly of the load of the device according to the prototype is ~ 2 (a current of 0.7 MA for 100 ... 150 no has been transferred). The retention time of the liner assembly of the load in a state that is almost disconnected from the generator (dwell time) is ~ 100 ns. Data on the generated MR pinch pulse is not provided.
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.The main disadvantage of the prototype device is its low efficiency in the case of powering with a current pulse with a microsecond rise time, which is typical for the operation of multimegaamp VMGs. With such a duration of powering, it is required to ensure the retention times of the liner assembly of the load in a state almost disconnected from the generator several times longer than those obtained in the experiment.
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.In addition, part of the current entering the device from the generator immediately flows through the liner assembly of the load. This reduces the quality of the generated current pulse and leads to premature heating, melting and evaporation of the substance of the liner assembly of the load, and, consequently, to a deterioration of the parameters of implosion. The hole in the second electrode ring with a short (~ 100 no) impulse of current being thrown and a small (8-17 mm) diameter of the used liner load assembly does not seem to affect the formation of the current impulse in the prototype device, but when moving to a longer one the front of the current pulse to be transferred and, accordingly, the use of a liner assembly of a larger diameter load; the absence of this part of the electrode system can lead to a substantial unloading of the substance during the implosion process, and, consequently, of the MRI pulse generated by the Z pinch.
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.A technical problem addressed by the invention is the generation of an MRI multi-pulse pulse using a device for generating a megaamper current pulse in a liner load when powering the device from the generator, including the VMG, current pulse with a microsecond rise time.
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.The technical result is to increase the efficiency of the device by increasing the load retention time of the liner assembly circuit in a state disconnected from the liner assembly circuit breaker when the device is powered by a megaamper current pulse with a microsecond rise time and by improving liner load implosion parameters.
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.The technical result is achieved by the fact that in the developed device for the formation of a megaamper current pulse in liner load containing a central electrode coaxially arranged in vacuum, the first and second electrode rings, the forward and reverse conductors, and also located between the central electrode and the first and second electrode rings, accordingly, the cylindrical liner assemblies of the breaker and the load, while the direct conductor, intended for supplying current assemblies from the generator, is electrically connected The center electrode and passes through the first electrode ring, and the return current is electrically connected to the periphery of the electrode rings, the new one is that the central electrode is made in the form of a common disk for both assemblies, the diameter of which is larger than the breaker assembly diameter, and in the second electrode ring an electrically conductive plug is inserted, to which the liner load assembly is electrically connected.
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.The plug can be inserted into the second electrode ring to ensure electrical contact or to form an annular vacuum gap, and the gap can optionally be filled with a dielectric.
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.Performing the central electrode in the form of a disk common to both liner assemblies with a radially extended accelerating part, formed due to the larger diameter of the central electrode compared to the liner assembly of the breaker, allows you to control both the time and the plasma velocity of the liner assembly of the breaker from the interelectrode gap. The accelerating part increases the duration of the conduction phase of the liner assembly of the breaker, as a result of which the circuit of the liner load assembly can be kept longer and more efficiently in a state that is practically disconnected from the circuit of the breaker. In addition, the accelerating part of the central electrode placed in the radial direction performs the function of a spatial separator of the working volumes of the breaker and the load in such a way that during the work of the “reverse pinch” its plasma pollutes the working volume of the load less.
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.In the axial hole of the second electrode ring is inserted an electrically conductive plug to which the liner load assembly is attached. The plug prevents the substance from leaking in the axial direction, limiting the expansion of the plasma during the implosion of the liner assembly of the load. This distinctive feature of the claimed device provides an improvement in the implosion parameters, which leads to an increase in the peak power generated by the Z-pinch MRI pulse.
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.The presence of an annular vacuum gap or gap filled with a dielectric in the electrical circuit of the liner assembly of the load additionally allows you to control the time of its connection to the parallel circuit of the liner assembly of the breaker. Control is accomplished by choosing the size and shape of the vacuum gap, or choosing the material and shape of the dielectric. This distinctive feature of the claimed device prevents the flow of current through the liner assembly of the load in the process of plasma explosion of the liner assembly of the breaker. Improving the efficiency of the device is due to the lack of premature heating, melting and evaporation of the substance liner assembly load.
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.FIG. 1 is a diagram, and FIG. 2 variants of the design of the claimed device, where the main elements are designated: 1 - supply vacuum line from the generator; 2 - direct conductor; 3 - reverse conductor; 4 - cylindrical liner assembly breaker; 5 - cylindrical liner load assembly; 6 - the central electrode, the outer diameter of which is larger than the diameter of the breaker assembly; 7 - the first electrode ring; 8 - the second electrode ring; 9 - electrically conductive plug.
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.A device for forming a megaamp current pulse in liner load contains
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.During operation of the inventive device, a current pulse from the generator is supplied via the
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.As an example of the implementation of the invention in FIG. 3 shows a photograph of an embodiment of a device for forming a megaamper current pulse in liner load. The device was powered from a laboratory generator with a current pulse with an amplitude of 2 MA and a front duration of 1 µs. A multiwire cylindrical assembly with a diameter of 114 mm and a height of 10 mm, consisting of 30 tungsten wires with a diameter of 4 μm, was used as the liner assembly of the breaker. A multiwire cylindrical assembly with a diameter of 60 mm and a height of 15 mm, consisting of 45 tungsten wires with a diameter of 8 μm, was used as the liner assembly of the load.
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).FIG. 4 shows the oscillograms of current pulses obtained using Rogowski belts, where: a) the current supplied to the device from the generator; b) and c) current pulses transferred to the liner load assembly in experiments with the base and increased diameter of the central electrode, respectively. The delay of the onset of an intensive current transfer with a reduced length of the accelerating part of the central electrode is close to the instant when the generator reaches its maximum value. The sharpening of the current pulse in the load reached ~ 2. In the amplitude of the current pulse transferred to the load, the device exceeds the prototype by ~ 2 times. According to the main key parameter: the load holding time in a state that is almost disconnected from the generator, the developed design exceeds the prototype by 10 times (dwell time is ~ 1 μs).
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.FIG. 5 shows oscillograms of MRI pulses generated by the Z-pinch during implosion of the liner assembly of the load, for two versions of the device: using a plug inserted with electrical contact (solid line), and a plug inserted with an annular vacuum gap (dashed line). Oscillograms are obtained using MRI detectors located behind aluminum filters. The vacuum gap prevents the flow of current in the liner assembly of the load during plasma explosion of the liner assembly of the breaker, which leads to an increase in the peak power of the generated MRI pulse by ~ 3 times.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018126108A RU2694819C1 (en) | 2018-07-13 | 2018-07-13 | Device for generation of mega-ampere current pulse in liner load |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018126108A RU2694819C1 (en) | 2018-07-13 | 2018-07-13 | Device for generation of mega-ampere current pulse in liner load |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694819C1 true RU2694819C1 (en) | 2019-07-17 |
Family
ID=67309461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018126108A RU2694819C1 (en) | 2018-07-13 | 2018-07-13 | Device for generation of mega-ampere current pulse in liner load |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694819C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19817133A1 (en) * | 1998-04-19 | 1999-10-28 | Lell Peter | Power disconnecting switch for emergency use in high current circuits, especially vehicles |
| WO2006131975A1 (en) * | 2005-06-09 | 2006-12-14 | Tetsu Miyamoto | High-temperature high-density plasma column produced by baseball z pinch and its generating method and generating appratus |
| RU2399111C1 (en) * | 2009-02-24 | 2010-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Explosive shaper of current pulse |
| RU2547337C2 (en) * | 2013-07-30 | 2015-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for study of high-speed implosion of liner |
-
2018
- 2018-07-13 RU RU2018126108A patent/RU2694819C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19817133A1 (en) * | 1998-04-19 | 1999-10-28 | Lell Peter | Power disconnecting switch for emergency use in high current circuits, especially vehicles |
| WO2006131975A1 (en) * | 2005-06-09 | 2006-12-14 | Tetsu Miyamoto | High-temperature high-density plasma column produced by baseball z pinch and its generating method and generating appratus |
| RU2399111C1 (en) * | 2009-02-24 | 2010-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Explosive shaper of current pulse |
| RU2547337C2 (en) * | 2013-07-30 | 2015-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for study of high-speed implosion of liner |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sarkisov et al. | Polarity effect for exploding wires in a vacuum | |
| Zhou et al. | Design of a 5-MA 100-ns linear-transformer-driver accelerator for wire array Z-pinch experiments | |
| US6818853B1 (en) | Vacuum arc plasma thrusters with inductive energy storage driver | |
| US20070045248A1 (en) | Vacuum arc plasma thrusters with inductive energy storage driver | |
| US3191092A (en) | Plasma propulsion device having special magnetic field | |
| US11933282B2 (en) | Inductive plasma acceleration apparatus and method | |
| US7518085B1 (en) | Vacuum arc plasma thrusters with inductive energy storage driver | |
| RU2694819C1 (en) | Device for generation of mega-ampere current pulse in liner load | |
| CN104412470B (en) | Spark gap with condenser type accumulator | |
| US4727298A (en) | Triggered plasma opening switch | |
| US4406952A (en) | Opening switch for interrupting current using a plasma focus device | |
| JP2015526838A (en) | Spark gap | |
| Kohno et al. | Cable guns as a plasma source in a plasma opening switch | |
| US3646394A (en) | Acyclic generator with vacuum arc commutator for rapid generation of short, high-energy pulses | |
| Bergmann et al. | Triggering a radial multichannel pseudospark switch using electrons emitted from material with high dielectric constant | |
| CN115267400B (en) | Experimental device and method for generating plasma jet and soft X-ray point source | |
| US4213073A (en) | Rod pinch diode | |
| SU1338774A1 (en) | Plasma-erosion release | |
| RU2646845C2 (en) | Device for forming pulse of high-current electron accelerator | |
| Sorokin | Ultrafast wire loading with multi-megaampere current | |
| Brussaard et al. | A 2.5-MV subnanosecond pulser with laser-triggered spark gap for the generation of high-brightness electron bunches | |
| SU713374A1 (en) | Pulsed laser neutron generator | |
| US5773787A (en) | Plasma-gun voltage generator | |
| Sorokin | Experiments with a plasma-filled rod-pinch diode on the MIG generator | |
| Sorokin | Hard X-ray source based on low-impedance rod pinch diode |