Формирователь импульса тока

 

Использование: область электротехники , в частности, формирователи импульса тока на основе электрически взрывающихся проводников от магнитокумулятивных генераторов . Сущность изобретения: формирователь тока содержит электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения тока и нагрузки. Новым является электрически взрываемый проводник, выполненный по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов, включенных между собой параллельно и изолированных один от другого, причем сопротивление каждого предыдущего проводника на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от внешнего проводящего элемента к внутреннему. 1 ил.

COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,(5!)5 Н 01 Н 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИ1ЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

АМ

1»й» д»-" Р())» 1,,", " »)p;-») г) » =" И ) ) ",g»f j !) »»

"- I f !1Ä Ф»» ф

l& (с

О

jQp

1)>

1 а

1 (21) 4744649/07 (22) 02.10.89 (46) 23.08.92.Бюл. ¹ 31 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики (72) Б.А.Бойко и А.С,Борискин (56) Патент США N 3500279, кл, Н 01 Н

37/76, 1970.

Авторское свидетельство СССР № 609447, кл. Н 01 Н 39/00, 1976, (54) ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА ТОКА (57) Использование: область электротехники, в частности, формирователи импульса . тока на основе электрически взрывающихся

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электровзрывным формирователям и переключателям, и может использоваться для формирования импульса тока амплитудой 10 -10 А за время <10 с в нагрузке (сильноточном ускорителе электронов, плазменном фокусе, магнитоплазменном компрессоре).

Известен формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения источника тока и нагрузки. Электрически вэрываемый проводник (ЭВП) покрыт невоспламеняющейся силиконовой смазкой.

При взрыве ЭВП напряжение передается на нагрузку, в которой формируется короткий импульс тока.

Малая мощность импульса, формируемого в нагрузке известным формирователем импульса тока (ФИТ), обусловлена его большой инерционностью из-за большой Ы 17569бб А1 проводников от магнитокумулятивных генераторов, Сущность изобретения: формирователь тока содержит электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения тока и нагрузки. Новым является электрически взрываемый проводник, выполненный по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов, включенных между сббой параллельно и изолированных один от другого, причем сопротивление каждого предыдущего проводника на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от внешнего проводящего элемента к внутреннему, 1 ил. погонной индуктивности формирователя, вследствие его малого поперечного сечения и относительно малого сопротивления так, что постоянная времени T; - /R разряда тока в нагрузке велика (>10 с), где =Ьвп+Ь

-6 суммарная индуктивность ЭВП и нагрузки, R — сопротивление формирователя. Малое поперечное сечение ЭВП ограничивает амплитуду тока и, следовательно, энергию и мощность импульса, формируемого в нагрузке. Сокращение времени вывода энергии источника гока в нагрузку ограничено также тем, что формирователь выполнен е виде одного, единого проводника, вся масса которого взрывается сходу, неуправляемо, а на поцесс формирования импульса тока оказывают сильное влияние электрические характеристики источника тока и нагрузки.

Как известно в IGKQlvl однократном, одноступенном формирователе в оптимальном случае (когда равны . индуктивности

1756966 накопителя и нагрузки) в последнюю выводится лишь 25; энергии, Ограничения на выводимую энергию и на сокращение времени вывода ее в нагрузку flðèíoäÿт к ограничениям на мощность импульса 5 формируемого в нагрузке, Наиболее близким к заявляемому является формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения 10 источника тока и нагрузки. ЭВП выполнен в виде набора проволочек, навитых в виде спирали на диэлектрических нитях, укрепленных между электродами, Недостатком известного формировате- 15 ля является малая мощность формируемого в нагрузке импульса электрической энергии. Первоначально весь ток источника питания протекает через ЭВП, начинается его разогрев джоулевым теплом и к моменту, 20 когда тепловая энергия в проводнике превышает энергию его сублимации, проводник взрывается, вызывая этим появление на выводе импульса высокого напряжения с очень большой амплитудой, Амплитуда это- 25 го импульса должна быть очень большой (сотни киловольт), чтобы обеспечить быструю (<10 с) передачу энергии в нагрузку и сфоомировать s ней импульс тока большой (>10 -10 А) амплитуды и высокой (>10 Вт) 30

12 мощности, Напряжение зависит от многих параметров, а именно: геометрии (сечения и длины) проводника его материала (удельного сопротивления (р) и зависимости р от температуры), индуктивности и сопротивле- 35 ния источника тока, ЭВП и нагрузки, амплитуды тока и его производной по времени.

Кроме того, напряжение зависит от среды окружающей ЭВМ В частности, взрыв проводника в воздухе сопровождается появле- 40 нием плазмы за фронтом ударной волны и возникновением электрической дуги. Постоянная времени т, импульса тока в нагрузке в известном формирователе велика из-за большой индуктивности и малого collротив- 45 ления электрической дуги вследствие того, что Э ВП навиты в виде спирали. Кроме того, в нагрузку передается не более 257 энергии источника, так как используется лишь одна ступень обострения (все проводники 50 взрываются практически одновременно, так как они выполнень1 из одно о металла и по ним протекает одинаковый ток за одно и то же время).

Целью изобретения является увеличе- 55 ние мощности электрического импульса в нагрузке, Сущность изобретения заключается в том, что в известном формирователе импульса тока, содержащем электрически взрываемый проводник ввод для подключения источника тока и вывод для подключения нагрузки новым является то, что электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов, включенных параллельно между собой и изолированных друг от друга, при«ем сопротивление каждого предыдущего проводящего элемента на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, Выполнение ЭВП по меньшей мере из двух отдельных проводящих элементов обеспечивает повышение мощности по следующим причинам. Во-первых, сопротивление и масса первого (со стороны ввода для источника тока) проводника легко согласуется с параметрами источника тока путем подбора соответствующего материала проводника, его длины! и, площади Б=.тг(г 1 -r;} поперечного

2 сечения, а индуктивность коаксиальной полости между первым и вторым ЭВП выполняется оптимальной подбором 1, r u толщины изоляции между проводниками.

Сопротивление и масса последнего (со стороны выводы для нагрузки) проводника согласуется с параметрами нагрузки путем подбора соответствующего металла, его длины и поперечного сечения, а индуктивность коаксиальной полости между предпоследним и последним ЭВП выполняется оптимальной путем варьирования ее диаметра и длины, а также зазора между цилиндрами, Очевидно, что нельзя согласовать одним ЭВП выходные параметры самых различных источников тока, используемых в технической физике, с параметрами той или иной нагрузки. Поэтому в известном ФИТ, из-за рассогласованности параметров источника тока, ЭВП и нагрузки, мощность формируемого импульса в нагрузке мала или для согласования и повышения мощности для ЭВП необходим материал, которого

Не существует в природе.

Для иллюстрации влияния начальных параметров источника рассмотрим ФИТ с источником сверхсильного(>10 А) импульса

8 тока большой (10 с) длительности. Для

-а предотвращения электродинамического разрыва ЭВП в процессе разряда источников инерционная масса проводника должна быть велика и, следовательно, велики толщина и время взрыва, В результате большой длительности импульса тока в нагрузке мала его мощность. Выполнение ЭВП из двух или нескольких проводников той же суммарной массы, обеспечивает Hp. одновременный, а последовательный электрический

1756066 взрыв проводников с постепенным сокращением длительности взрыва, увеличением амплитуды тока, напряжения и мощности от предыдущей к последующей ступеням обострения и в нагрузке. Для известного ФИТ 5 из параллельно соединенных источника тока, одного ЭВП и нагрузки имеем

Eo=Lpl< /2, где Š— магнитная энергия, запасенная в разрядной индуктивности Lp, с — амплитуда тока источника. Если поло- 10 жить, что за время At ЭВП взрывается и размыкает цепь, в которой сосредоточена магнитная энергия, а цепь нагрузки замыкается вслед за этим, то в согласии с законами сохранения энергии и магнитного потока, 15 имеем

Ер=Ео/(1 k), Ен=ЕсЛ /(1+Л) .

Еэвп = Е о Л /(1 4Л ) 20 где Ep — энергия, оставшаяся в цепи разряда;

Ен — энергия, переданная в нагрузку;

Езвп — энергия, выделенная в ЭВП. 25

Коэффициент передачи энергии в нагрузку у=Е /Е<>= Л/(1+ Л) имеет максимум. равный 25,, когда Л==1 (Lfq=Lp). Качественно малая мощность импульса в нагрузке в известном ФИТ следует из того, что начальная 30 плотность магнитного потока (т.е. по суще,ству начальная энергия магнитного поля

Ео= Фо /2Lp, где I o=Lplp — начальный маг2 нитный поток) после разрыва цепи разряда уменьшается, так как поток, сосредоточенный вначале лишь в Ер, распределяется затем и в LH, сравнимом с Lp. В результате 50 энергии распределяется поровну (в оптимальном случае (н=(р между нагрузкой и формирователем, а остальные 50 энергии 40 теряется в ЭВП, Прим выполнении ЭВП по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводников, включенных параллельно между собой и изолированных диэлектриком друг от друга, энергия маг- 45 нитного поля в процессе разряда источника тока запасается не только в индуктивности

Lp, но и в коаксиальных полостях между проводниками; не замкнута лишь цепь нагрузки. Вначале все токи циркулируют в каждом проводнике, а в нагрузке формируется импульс при электрическом взрыве последнего в направлении от ввода к выводу проводника, Как в том, так и в другом случае мощность формируемого импульса в на- 55 грузке возрастает по сравнению с одноступенным, однократным обострением вследствие большей эффективности передачи энергии из-за лучшего согласования цепи питания и натрузки, Эффективность (КПД) передачи энергии в нагрузку определяется в этом случае выражением =

Л/(1 +Л). Оптимальное распределение плотности тока связывается с оптимальным распределением йндуктивности полостей формирователя. При одинаковых значениях индуктивностей полостей между цилиндрическими коаксиальными проводниками и

Л=З можно достигнуть «>60 эффективности передачи энергии в нагрузку, Во-вторых, если сопротивление каждогб предыдущего проводника выполнить на порядок меньше, а массу на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, то мощность формируемого импульса в нагрузке заметно увеличится, так как ЭВП, Hà который подан сформированный от предыдущего. ЭВП короткий высоковольтный импульс,.формирует еще более короткий и высоковольтный импульс напряжения на проводнике, сопротивление которого на порядок больше предыдущего, Коэффициент усиления мощности по передаче магнитной энергии от секции к секции при отношении индуктивностей между секциями -1 определяется соотношением

К=Рн/ИРэцл, где Р— мощность импульса в нагрузке, Рэ8л — мощность, выделяемая в

ЭВП, N — число электровзрывных проводников. В сравнении с прототипом заявляемый обьект отличается тем, что вместо проводников в виде набора проволочек, навитых спиралью на диэлектрических нитях, укрепленных между электродами и имеющих относительно малую . площадь токонесущей поверхности, ЭВП выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводников, включенных параллельно между собой и изолированных друг от друга,о

Новым является коаксиальная цилиндрическая геометрия ЭВП и то, что материал одного из проводников, может отличаться от материала других проводников, например, один проводник выполнен из медной фольги, другой — из титановой фольги, третий — из железной фольги, четвертый — из напыленного на диэлектрическую подложку тонкого алюминиевого слоя и т.д., а согласующие индуктивности выполнены в виде заполненных диэлектриком коаксиальных полостей между проводниками, Выполнением ЭВП B виде нескольких коаксиальных цилиндрических проводников, включенных параллельно, обеспечивается увеличение механической и электрической прочности, повышение амплитуды передаваемого тока и уменьшение индуктивности ФИТ, из-за чего сокращены постоянная времени т и

1756966 длительность импульса тока, а мощность увеличена, Отличительным существенным признаком заявляемого изобретения является и то, что коаксиэльные цилиндрические проводники изолированы друг от друга, чем 5 обеспечивается повышение напряженности электрического поля на поверхности взрываемого проводника, так как ударная волна от ЭВП распространяется не в воздухе, а в толще диэлектрика и развитие электриче- 10 ской дуги затруднено, Рост мощности обусловлен таким образом увеличенными током и напряжением на ЭВП. увеличенной площадью токонесущей поверхности цилиндрических проводников, через которые 15 пропускается мощность от источника к нагрузке, увеличенным числом электрически взрываемых проводников, и тем, что сопротивление каждого предыдущего проводника на порядок меньше, а масса на порядок 20 больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, что достигается использованием различных металлов, Каждый проводящий элемент может быть выполнен в виде сплошных цилиндрических оболочек, 25 набора отдельных полос различной конфигурации или проволочек, расположенных по образующим цилиндра.

Соотношения масс и сопротивлений проводящих элементов обеспечивают усло- 30 вия согласования источника тока с нагрузкой, путем эффективного взрыва каждого проводящего элемента с меньшими потерями энергии. Сопротивление последующего проводящего элемента выбрано большим 35 на порядок для того, чтобы оно не влияло на работу источника тока практически до момента взрыва. предыдущего проводящего элемента. Масса последующего проводящего элемента выбрана на порядок меньше, 40 для того, чтобы после взрыва предыдущего элемента осуществить взрыв последующего элемента за существенно меньшее время.

При взрыве предыдущего элемента происходит увеличение его сопротивления. Эта 45 величина может быть резко уменьшена изза вторичного пробоя по продуктам взрыва этого проводящего элемента. B связи с этим источник тока будет зашунтирован, Чтобы этого не произошло необходимо 50 взрыв последующего элемента произвести за время меньшее, чем произойдет вторич1 ный пробой. Это обеспечивается подбором массы и сопротивления, Соотношение сопротивлений и массы проводящих элемен- 55 тов в коаксиальной геометрии обеспечивается выбором толщины и материала элементов ЭВП.

При анализе заявляемого обьекта на соответствие критерию изобретения "существенные отличия" не обнаружены технические решения, содержащие отличительные признаки заявляемого объекта. Таким образом, заявляемое техническое решение отвечает критерию изобретения "существенные отличия ,На чертеже изображен заявляемый формирователь импульса тока, Он содержит электрически взрываемый проводник 1,2, ввод 3 и вывод 4 для подключения источника тока и нагрузки. ЭВП выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов 1,2, включенных параллельно между собой и изолированны" руг от друга диэлектриком 5. Сопротив,.. ие каждого предыдущего проводящего элемента 1 на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего 2 по напр ялению от ввода 3 к выводу 4, В качестве примера конкретного выполнения приведем ФИТ, содержащий ЭВП

1,2, ввсд 3 и вывод 4 (в виде медных пластин). ЗВП выполнен из трех цилиндрических коэксиальных проводников; цилиндра

1 из железа "эрмко", выполненного из листа толщиной 0,7 мм, массой 40 г на единицу длины, медного цилиндра (на чертеже не изображен) толщиной 10 мм, массой-0,6 г на 1 см длины и цилиндра 2 из напыленного на диэлектрик 5 слоя. алюминия толщиной

-д

-100 А с погонной массой -1,5 10 r/ñì, Начэльнь1е сопротивления цилиндров равнь1 соответственно 10 Ом, 10 Ои и 0,8 10

- 1 -з

Ом диэлектрик 5 — стеклоткань, пропитанная эпоксидным компаундом ЭК-6. !1огонные индуктивности полостей между цилиндрами равны 0,1 нГн/см. В процессе роста тока источника {МК-генератора) зэ время z< -=15-20 мкс первый цилиндр из железа "армко" нагревается до температуры выше температуры плавления и его сопротивление (к моменту максимума тока источника) увеличивается -в 14 раз.

Максимальная амплитуда тока по первому и второму цилиндру составила величину 15,3

МА производная ToKa (no Bpe e ) -1=4 .

1G A/ñ и переданная мощность б 10 Вт, 1О

После взрыва второго (медного) цилиндра мощность возросла до -3 10 Вт, а после

11 взрыва 3-го — до 5 10 Вт. Амплитуда тока

12 в нагрузке индуктивностью -10 нГн составила 25 MA с эффективным временем 0,5 мкс нарастания от 0,1 до 0,8 от максимального значения тока, Использование формирователя импульса тока, в котором электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных про1756966

Формула изобретения

Формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод для подключения источника тока и вывод для подключения нагрузки, о т л ич а ю шийся тем, что. с целью увеличения

Составитель Б.Бойко

Техред M.Моргентал Корректор Е.Папп

Редактор А,Бер

Заказ 3093 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 водящих элементов с определенным соотношением сопротивления и массы, позволяет осуществить вывод энергии в нагрузку с большей в несколько раз мощностью в срав, нении с ФИТ. в котором лишь один ЭВП малого сечения и большой длины, мощности фо р ми руе мого импул ьса, указа нный электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух проводящих элементов, каждый из которых вы5 полнен в виде полого цилиндра. причем укаэанные проводящие элементы установлены коаксиально,изолированы один отдругого и включены параллельно при этом сопротивление каждого предыдущего про10 водящего элемента на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от внешнего проводящего элемента к внутреннему,