Способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке



Способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке
Способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке
Способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке
Способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке
Способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке
Способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке

 

H03K3/53 - Импульсная техника (измерение импульсных характеристик G01R; механические счетчики с электрическим входом G06M; устройства для накопления /хранения/ информации вообще G11; устройства хранения и выборки информации в электрических аналоговых запоминающих устройствах G11C 27/02; конструкция переключателей для генерации импульсов путем замыкания и размыкания контактов, например с использованием подвижных магнитов, H01H; статическое преобразование электрической энергии H02M;генерирование колебаний с помощью схем, содержащих активные элементы, работающие в некоммутационном режиме, H03B; импульсная модуляция колебаний синусоидальной формы H03C;H04L ; схемы дискриминаторов с подсчетом импульсов H03D;

Владельцы патента RU 2467426:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)

Изобретение относится к электротехнике, к сильноточной коммутационной технике и может быть использовано для формирования в низкоимпедансных нагрузках мультимегаамперных импульсов тока с временем нарастания порядка одной и менее микросекунды. Технический результат состоит в повышении величины и скорости нарастания внутреннего сопротивления устройства, а также его электропрочности в момент коммутации и уменьшении радиального габарита. Способ заключается в разрыве контура индуктивного накопителя энергии, запитываемого от импульсного источника тока, путем размыкания проводника, закорачивающего контур, под действием давления магнитного поля, создаваемого протекающим по проводнику током, с последующим переключением тока в нагрузку. Размыкание осуществляют, инициируя развитие магнитогидродинамических неустойчивостей на локальных неоднородностях проводника, вызывающих его разрушение. Устройство содержит импульсный источник тока и индуктивный накопитель энергии, контур которого включает коаксиальные электроды и закорачивающий их проводник, установленный в вакуумной полости между электродами с зазорами по отношению к ним. Поверхность проводника, на которую воздействует давление магнитного поля, имеет локальные неоднородности, выполненные в виде одной или ряда последовательно расположенных кольцевых проточек, которые образуют на проводнике одну или ряд перемычек. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к сильноточной коммутационной технике и может быть использовано для формирования в низкоимпедансных нагрузках мультимегаамперных импульсов тока с временем нарастания порядка одной и менее микросекунды.

Аналогами, близкими по принципу действия к заявляемому техническому решению, являются способы формирования импульса тока, основанные на разрыве проводника на локальных неоднородностях среды, и устройства для их осуществления. Как правило, в аналогах разрыв проводника осуществляют путем его метания на ребристую преграду или за счет срыва разогнанного до большой скорости проводника с одного из электродов, которые он закорачивает. Для метания используют либо энергию взрывчатого вещества, либо энергию магнитного поля (см. [1-5]).

Например, известны способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке [4]. Способ заключается в разрыве контура индуктивного накопителя энергии, запитываемого от импульсного источника тока, путем размыкания проводника, закорачивающего контур, под воздействием прикладываемого к нему давления с последующим переключением тока в нагрузку. Размыкание осуществляют на локальных неоднородностях проводника, вызывая его разрушение. Для этого проводник метают на диэлектрическую преграду, используя энергию взрывчатого вещества. В приведенном в описании изобретения [4] примере реализации устройства оно содержит взрывомагнитный генератор, являющийся одновременно импульсным источником тока и индуктивным накопителем энергии. Контур индуктивного накопителя включает электроды и закорачивающий их проводник. Причем на поверхности проводника имеются локальные неоднородности, выполненные в виде ряда последовательно расположенных кольцевых проточек, которые образуют на проводнике ряд перемычек. В проточках проводника могут иметься дополнительные насечки (по крайней мере, одна). Кроме того, размыкатель содержит заряд взрывчатого вещества с системой его инициирования и диэлектрическую ребристую преграду, между которыми установлен проводник. Кольцевые проточки расположены напротив пазов ребристой преграды. Проточки могут быть нанесены на любую одну или на обе поверхности проводника.

Устройство работает следующим образом. При подрыве заряда взрывчатого вещества проводник налетает на ребристую преграду и разрушается в местах расположения пазов преграды и проточек проводника. Разрушение происходит в момент удара о преграду под действием сил инерции проводника и газокинетического давления продуктов взрыва заряда, вызывающих вихревой характер движения среды в местах разрыва. Нанесение насечек повышает эффективность разрушения проводника за счет локализации мест концентрации напряжений и интенсификации вихревого механизма разрушения.

Указанные способ и устройство имеют ряд недостатков.

Во-первых, это сложность технического исполнения устройства, обусловленная необходимостью использования высокоточных средств инициирования заряда взрывчатого вещества, обеспечивающих синхронный выход детонационной волны на прилегающую к заряду поверхность проводника, а также необходимость установки диэлектрической ребристой преграды. В частности, на синхронность нагружения проводника накладываются ограничения, связанные с разбросом срабатывания средств инициирования, а также с точностью изготовления и монтажа элементов конструкции. В последнем случае временной сдвиг определяется скоростью детонации Δt=Δs/D, где Δs - отклонение размера, D - скорость детонации (типично D~7…8 мм/мкс).

Во-вторых, устройство, предназначенное для коммутации мультимегаамперных токов, имеет относительно большие радиальные и продольные габариты. В продольном направлении это следствие относительно низкой электропрочности продуктов детонации (~10 кВ/см). В радиальном направлении - причины следующие. Известно, что одним из основных факторов, определяющих режим работы размыкателя, является толщина проводника. Чем она меньше в области проточек, тем выше его быстродействие. Например, при работе в микросекундном и субмикросекундном диапазоне времен переключения токов эта толщина составляет десятые доли миллиметра и менее. С другой стороны, удельный интеграл действия тока ([6], с.104-105), достигаемый к моменту подрыва заряда взрывчатого вещества, должен быть заведомо ниже точки плавления материала проводника:

где I(t) - зависимость тока от времени, S - сечение проводника, tc - момент коммутации, Jf - значение удельного интеграла действия тока в точке плавления. Иначе режим коммутации будет нарушен из-за разбрызгивания проводника до момента подрыва заряда. Это приводит к необходимости увеличения сечения проводника с ростом тока, что при фиксированной толщине проводника означает возрастание радиуса. Увеличение радиуса также необходимо, чтобы избежать преждевременной деформации проводника под воздействием давления магнитного поля.

Известны другие способ и устройство для формирования импульса тока в нагрузке [5]. Эти способ и устройство являются наиболее близкими к заявляемым.

Способ заключается в разрыве контура индуктивного накопителя энергии, запитываемого от импульсного источника тока, путем размыкания проводника, закорачивающего контур, под действием давления магнитного поля, создаваемого протекающим по проводнику током, с последующим переключением тока в нагрузку. Для этого полый проводник разгоняют давлением магнитного поля радиально внутрь между боковыми токоподводящими стенками, одна из которых короче другой. При соскальзывании края проводника с укороченной стенки происходит размыкание контактного соединения и переключение тока.

Устройство содержит импульсный источник тока и индуктивный накопитель энергии, контур которого включает коаксиальные электроды и закорачивающий их проводник-лайнер, установленный в вакуумной полости между электродами с зазорами по отношению к ним. В качестве источника тока используется взрывомагнитный генератор, который является частью контура индуктивного накопителя. Лайнер имеет цилиндрическую форму. В месте установки лайнера электроды образуют боковые токоподводящие стенки, одна из которых короче и имеет на нижнем радиусе выступ-отсекатель. За отсекателем электроды переходят в кольцевой канал, соединяющий индуктивный накопитель с нагрузкой.

Взрывомагнитный генератор осуществляет разгон лайнера. При этом ускоряющее давление магнитного поля создается протекающим по лайнеру током. Вакуумирование полости между электродами обеспечивает электропрочность межэлектродного промежутка и предотвращает возникновение шунтирующего электрического разряда в процессе движения лайнера. Налетая на отсекатель, лайнер срывается с торцевой стенки и разрывает контур. Отсекатель препятствует движению пристеночной части лайнера в область канала, предотвращая шунтирование нагрузки. Поэтому через кольцевой канал в нагрузку поступает магнитный поток и происходит переключение тока.

В силу негазодинамического характера ускорения проводника-лайнера прототип свободен от первого недостатка аналога. Частично он также свободен от второго недостатка, поскольку позволяет сократить продольный размер проводника до 50 мм при напряжении на размыкателе ~100 кВ. Однако он обладает другими недостатками. Их суть и причины возникновения состоят в следующем.

Повышение мощности устройства (сокращение длительности фронта нарастания тока в нагрузке) требует увеличения скорости лайнера в момент его удара об отсекатель: чем больше скорость, тем выше быстродействие. Для разгона до высоких скоростей лайнер должен иметь достаточно большую пролетную базу (в примере реализации устройства она составляла ~25 мм по радиусу). За время ускорения лайнера на большой пролетной базе успевают развиться неустойчивости, разрушающие его структуру и нарушающие его конфигурацию. В частности, происходит деформация лайнера в пристеночной области. Это затягивает процесс переключения тока в нагрузку. Достижению высокой мощности препятствуют также ограниченные возможности повышения сопротивления и электропрочности устройства из-за разрыва закорачивающего проводника только в одном сечении. Кроме того, формирователь для мультимегаамперных импульсов тока имеет относительно большой радиальный габарит, т.к., исходя из принципа действия прототипа, лайнер должен налетать на отсекатель без развития значительных магнитогидродинамических (МГД) возмущений и поэтому не должен подвергаться расплавлению под действием джоулева нагрева. Как следует из (1), чтобы при увеличенном времени разгона tc избежать расплавления поверхностного слоя лайнера на значительную глубину, площадь сечения лайнера, а значит, и радиус должны быть достаточно большими.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения мощности и уменьшения материалоемкости устройств формирования импульса тока, приводимых в действие давлением магнитного поля.

Техническим результатом заявляемого изобретения является:

- повышение величины и скорости нарастания внутреннего сопротивления устройства, а также его электропрочности в момент коммутации;

- уменьшение радиального габарита.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом формирования импульса тока в нагрузке, заключающимся в разрыве контура индуктивного накопителя энергии, запитываемого от импульсного источника тока, путем размыкания проводника, закорачивающего контур, под действием давления магнитного поля, создаваемого протекающим по проводнику током, с последующим переключением тока в нагрузку, в заявляемом способе размыкание осуществляют, инициируя развитие магнитогидродинамических неустойчивостей на локальных неоднородностях проводника, вызывающих его разрушение.

Развитие МГД-неустойчивостей ускоряют, воздействуя на проводник давлением магнитного поля с плотностью энергии, обеспечивающей плавление материала проводника в местах расположения локальных неоднородностей.

Указанный технический результат достигается также тем, что по сравнению с известным устройством для формирования импульса тока в нагрузке, содержащим импульсный источник тока и индуктивный накопитель энергии, контур которого включает коаксиальные электроды и закорачивающий их проводник, установленный в вакуумной полости между электродами с зазорами по отношению к ним, в заявляемом устройстве поверхность проводника, на которую воздействует давление магнитного поля, имеет локальные неоднородности, выполненные в виде одной или ряда последовательно расположенных кольцевых проточек, которые образуют на проводнике один или ряд перемычек. На края перемычек могут быть нанесены насечки. Поверхности электродов, обращенные в вакуумную полость, облицованы изоляционным материалом.

Известно, что МГД-неустойчивости нарастают экспоненциально во времени ([6], с.243-248). Поэтому если для их развития создаются благоприятные условия, то они быстро возрастают от первоначально незначительных возмущений до разрушающих объект амплитуд. В частности, как это следует из экспериментальных данных, приведенных в работе [7], в импульсных системах с магнитным обжатием лайнеров неустойчивости, развивающиеся на локальных неоднородностях, выполненных даже в виде неглубоких проточек, успевают разрушить начинающий плавиться лайнер за время его перемещения на расстояние, много меньшее радиуса. Следовательно, если на проводнике, закорачивающем контур, спровоцировать развитие таких неустойчивостей на локальных неоднородностях, то это обеспечит возможность разрыва контура за короткое время, т.е. позволит отказаться от большой разгонной базы (уменьшить начальный радиус лайнеров). Кроме того, поскольку на проводнике можно инициировать развитие не одной, а ряда неустойчивостей, то абсолютное значение, а значит, и скорость нарастания сопротивления в момент коммутации могут быть увеличены за счет множественности числа разрывов проводника. Одновременно множественность числа разрывов увеличивает электропрочность устройства в момент его коммутации.

Заметим, что локальные неоднородности могут создаваться не только путем нанесения проточек, но и другими способами. Например, за счет инородных включений, изменения структуры материала и т.п.

Быстрое развитие МГД-неустойчивостей возможно, когда проводник находится в жидком состоянии (т.е. отсутствуют компенсирующие первоначальные возмущения силы упругости). В системах с импульсными источниками энергия, выделяющаяся в единице объема поверхностного слоя проводника, совпадает в любой момент времени с плотностью энергии магнитного поля вблизи этой поверхности с точностью до коэффициента, близкого к единице ([6], с.98-100, с.107-113). Поэтому для ускорения развития МГД-неустойчивостей на проводник необходимо воздействовать давлением магнитного поля с плотностью энергии, обеспечивающей плавление материала проводника в местах расположения локальных неоднородностей. Для медного проводника расплавленное состояние возникает при напряженности магнитного поля Н, лежащей в диапазоне 90-138 МА/м. Следовательно, при цилиндрической геометрии разрушаемого проводника отношение тока к радиусу может достигать величины около 0,9 МА/мм (I/r=2π Н), что означает относительно небольшие радиальные габариты устройства. Например, радиус проводника-лайнера прототипа, коммутировавшего ток величиной 69 МА, мог бы быть уменьшен со 145 до 80 мм. А если бы по условиям коммутации допускался частичный электровзрыв проводника, то - и до меньших значений. Увеличение напряженности магнитного поля за счет снижения радиального габарита устройства способствует подавлению пробойных явлений, что дополнительно повышает его электропрочность по сравнению с прототипом (отметим, что уровень давления магнитного поля, соответствующего по плотности энергии плавлению медного проводника, сопоставим по величине с газокинетическим давлением современных взрывчатых веществ).

В заявляемом устройстве локальные неоднородности создаются путем выполнения на той поверхности проводника, на которую воздействует давление магнитного поля, одной или ряда последовательно расположенных кольцевых проточек, которые образуют на проводнике одну или ряд перемычек. Неоднородности локализуются на концах перемычек (в углах проточек), если перемычки протяженные, или сливаются в одном сечении, если длина перемычек сравнима с их толщиной. Наличие локальных неоднородностей вызывает повышенное энерговыделение в этих областях за счет локального роста плотности тока, что приводит к ускоренному плавлению материала, развитию МГД-неустойчивостей, электровзрыву и выносу вещества под действием давления магнитного поля. Быстро развивающиеся МГД-неустойчивости разрезают проводник на части.

В случае, когда длина перемычек превышает их толщину, нанесение насечек на края перемычек позволяет усилить локальные неоднородности (увеличить градиент изменения свойств материала), что дополнительно повышает скорость развития МГД-неустойчивостей.

Облицовка изоляционным материалом поверхности электродов, обращенной в вакуумную полость, служит в качестве дополнительной меры для предотвращения развития пробоев, препятствующих выведению магнитного потока из индуктивного накопителя (как и в прототипе, в качестве основной меры обеспечения электропрочности межэлектродного промежутка используется вакуумирование).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать описанный выше способ. При этом удается устранить как недостатки аналога, так и недостатки прототипа за счет использования иного физического принципа работы устройства.

На фиг.1а, в изображено устройство для формирования импульса тока по заявленному способу. На фиг.1б, г показано состояние устройства после рассечения закорачивающего контур проводника МГД-неустойчивостями. На фиг.2 представлены результаты экспериментальной отработки устройства с одним замыкающим элементом (перемычкой). Фиг.3 представляет электрическую схему устройства при использовании в качестве импульсного источника энергии взрывомагнитного генератора, снабженного обострителем тока. На фиг.4 приведены результаты расчетного моделирования работы устройства, запитываемого по схеме фиг.3, закорачивающий проводник которого содержит три перемычки.

На фиг.1 введены обозначения:

1 - закорачивающий проводник;

2 - нагрузка;

3, 4 - наружный и внутренний коаксиальные электроды;

5 - кольцевая проточка;

6 - перемычка;

7 - насечка;

8, 9 - изоляторы, облицовывающие электроды;

I - электрический ток.

На фиг.2, 4 введены обозначения:

а - кривая тока, поступающего от источника на электроды 3 и 4 (фиг.1а, в);

б - кривая нарастания тока в нагрузке.

На фиг.3 введены обозначения:

LG - накопительная индуктивность контура взрывомагнитного генератора;

IG(t) - ток в цепи индуктивного накопителя;

R(t) - сопротивление обострителя тока;

IR(t) - ток, протекающий через обостритель;

LT - индуктивность передающей линии, соединяющей обостритель тока c закорачивающим проводником;

IS(t) - ток, поступающий от источника на электроды 3 и 4 (фиг.1а, в);

US - напряжение на электродах 3 и 4 (фиг.1а, в).

Заявляемый способ формирования импульса тока в нагрузке проиллюстрирован на фиг.1а, б, в, г. Он заключается в разрыве контура индуктивного накопителя энергии, запитываемого от импульсного источника тока, путем размыкания проводника 1, закорачивающего контур, под действием давления магнитного поля, создаваемого протекающим по проводнику током I, с последующим переключением тока в нагрузку 2. Размыкание (фиг.1б, г) осуществляют, инициируя развитие МГД-неустойчивостей на локальных неоднородностях проводника 1, вызывающих его разрушение. Развитие МГД-неустойчивостей ускоряют, воздействуя на проводник 1 давлением магнитного поля с плотностью энергии, обеспечивающей плавление материала проводника в местах расположения локальных неоднородностей.

Способ осуществляют с помощью устройства для формирования импульса тока в нагрузке по фиг.1а, в. Устройство содержит импульсный источник тока и индуктивный накопитель энергии, контур которого включает коаксиальные электроды 3, 4 и закорачивающий их проводник 1, установленный в вакуумной полости между электродами с зазорами по отношению к ним. Причем поверхность проводника 1, на которую воздействует давление магнитного поля, имеет локальные неоднородности, выполненные в виде одной или ряда последовательно расположенных кольцевых проточек 5, которые образуют на проводнике одну или ряд перемычек 6. В вариантах исполнения устройства, представленных на фиг.1а, в, длина перемычек много больше их толщины. Неоднородности располагаются на концах перемычек (в углах проточек), т.к. в этих областях имеет место наибольший градиент изменения свойств среды. Для усиления неоднородностей на края перемычек нанесены насечки 7. Возможен также вариант исполнения проточек, когда они либо очень узкие (сравнимые с толщиной перемычки), либо имеют клинообразную форму. При этом краевые неоднородности на концах перемычек сливаются в одном сечении. Однако этот вариант исполнения менее предпочтителен из-за большей вероятности пробоев, если проточки узкие и глубокие, или из-за падения градиента изменения свойств среды, если проточки выполнены в виде клина с большим углом раствора.

Поверхности электродов 3 и 4 облицованы изоляторами 8 и 9.

Контур индуктивного накопителя образован импульсным источником тока, наружным 3 и внутренним 4 электродами и закорачивающим их проводником 1.

Варианты исполнения устройства, представленные на фиг.1а, в, отличаются направлением воздействия давления магнитного поля на проводник 1: наружу или вовнутрь.

В обоих вариантах исполнения та поверхность проводника, на которую давление магнитного поля непосредственно не воздействует, может быть гладкой. Результаты расчетного моделирования показывают, что проточки на эту поверхность наносить хотя и допустимо (неглубокие), но необязательно. Более того, они могут ухудшить работу устройства.

Устройство работает следующим образом. При генерировании источником импульса электрического тока на закорачивающий проводник 1 начинает воздействовать давление магнитного поля от протекающего по нему тока. Когда плотность энергии магнитного поля в местах расположения локальных неоднородностей (на краях перемычек 6 в областях нанесения насечек 7) достигает значений, достаточных для начала плавления материала проводника, начинают развиваться МГД-неустойчивости. Неустойчивости быстро нарастают по амплитуде (в первом приближении - экспоненциально во времени), деформируют и истончают стенку перемычки, вызывают электровзрыв материала проводника в местах истончения. Образовавшаяся плазма выносится из областей электровзрыва давлением магнитного поля. В результате проводник оказывается разрезанным на части (фиг.1б, г). При этом обеспечивается относительно высокая электропрочность размыкателя за счет множественности разрывов проводника и большой напряженности магнитного поля, подавляющего пробойные явления. Через разрывы проводника магнитный поток поступает в нагрузку 2 и происходит переключение тока.

В процессе коммутации изолятор 8 предотвращает возникновение пробоя, шунтирующего размыкаемый проводник. Изолятор 9 предотвращает возникновение пробоя, шунтирующего нагрузку.

Для проверки достижимости заявленного технического результата была разработана программа расчетного моделирования работы устройства и проведена серия из трех экспериментов. В экспериментах использовался вариант исполнения устройства, представленный на фиг.1в. Проводник имел одну перемычку, выполненную в форме цилиндрической тонкостенной оболочки с внешним радиусом 12 мм, длиной 8 мм и толщиной стенки 0,4 мм. Насечки по краям перемычки не наносились. Электроды размыкателя и замыкающий проводник были изготовлены из меди. В качестве источника тока использовалась конденсаторная батарея, генерировавшая ток амплитудой 4,5 МА с временем нарастания до максимума примерно 5 мкс. Нагрузка - индуктивная, величиной 4 нГн. Расчетное время нарастания тока в нагрузке (фронт нарастания) составляло τ≈0,7 мкс по уровню 0,1…0,9 от амплитудного значения тока. Экспериментально измеренное время τ во всех трех экспериментах лежало в диапазоне 0,7…0,8 мкс. В нагрузку переключался ток амплитудой около 3 МА. Кривые переключения тока, полученные в одном из экспериментов, представлены на фиг.2.

Экспериментальные результаты показали удовлетворительное совпадение с расчетом. Основываясь на полученных данных, было проведено расчетное моделирование работы устройства при использовании в качестве источника спирального взрывомагнитного генератора, снабженного первичным узлом обострения тока. Расчет проводился с целью выяснения предельных возможностей устройства по минимизации фронта нарастания тока в нагрузке.

Несложно убедиться, что в типичной ситуации, когда индуктивность электрического контура до размыкаемого проводника сравнима или превышает индуктивность контура за ним (индуктивность выходного контура), включая индуктивность нагрузки, фронт нарастания тока в нагрузке определяется с точностью до коэффициента k, близкого к единице, формулой:

где LΩ - индуктивность зазора между размыкаемым проводником и электродом в выходном контуре устройства (в контуре нагрузки), приходящаяся на одну перемычку; LW - индуктивность нагрузки; n - число перемычек; Ωt=<<dΩ/dt>> - средняя скорость нарастания сопротивления на одной перемычке. Коэффициент k является слабой функцией величины индуктивности накопителя. Как следует из (2), минимальный фронт нарастания тока в нагрузке достигается при условии n>>LW/LΩ, причем он совпадает по величине с фронтом нарастания тока устройства, нагруженного на выходную индуктивность собственного коммутатора, при любом числе перемычек n. Учитывая сказанное, расчет был выполнен для случая, когда индуктивность нагрузки LW=0.

В расчете предполагалось, что:

- исполнение размыкателя соответствует фиг.1а;

- закорачивающий проводник размыкателя - медный, содержит три перемычки цилиндрической формы с внешним радиусом 16 мм и с толщиной стенки 1,4 мм;

- длина перемычек - 8 мм;

- на концах перемычек выполнены насечки с прямоугольным профилем 0,2×0,2 мм2;

- LΩ=1,15 нГн.

Предполагалось также, что взрывомагнитный генератор создает в накопительной индуктивности LG=30 нГн начальный ток I0=IG(0)=30 МА, после чего срабатывает обостритель тока (например, взрывной), сопротивление которого изменяется по линейному закону R(t)=11,87·t, где время t выражено в микросекундах, сопротивление R(t) - миллиомах (см. фиг.3). Индуктивность передающей линии, соединяющей обостритель тока с закорачивающим проводником, составляет LT=13 нГн. Такой обостритель формирует на закорачивающем проводнике импульс тока амплитудой около 18,5 МА с временем нарастания τ≈1,6 мк. Отношение тока к радиусу перемычек составляет около1,15 МА/мм, что соответствует по плотности энергии магнитного поля плавлению и началу процесса испарения материала перемычек.

Для описания процессов, протекающих в устройстве, использовалась система уравнений одножидкостной магнитной гидродинамики:

Здесь ρ - массовая плотность вещества, u - скорость вещества, Р - давление; j, Н, E - векторы плотности тока, магнитного и электрического поля, σ - электрическая проводимость, q - удельная энергия вещества (энергия в единице массы).

Уравнение состояния меди q(T, p) и зависимость ее проводимости от температуры и плотности σ(T, ρ) были взяты из работы [8].

К уравнениям (3) добавлялась система уравнений (4) для первичного контура обострения тока, фиг.3:

Символом Нφ в (4) обозначена азимутальная составляющая напряженности магнитного поля.

Расчет проводился на сетке с шагом 50 мкм. Результаты расчета режима работы устройства представлены на фиг.4. По координатным осям расчетной области на фиг.4 отложены номера ячеек сетки. Из рисунка видно, что устройство обеспечивает переключение тока с характерным временем нарастания τ≈140 нс. Из соотношения амплитуды переключаемого тока, времени переключения и индуктивности LΩ следует, что максимальное напряжение на размыкаемом проводнике - около 370 кВ (max[US]≈0,9·(max[IS]/τ)·LΩ·n≈370 кВ).

Аналогичный расчет был проведен для устройства, закорачивающий проводник которого содержит пять перемычек. В расчете предполагалось, что нагрузка - индуктивная, величиной 2 нГн. Перемычки - цилиндрической формы, имеют длину 8 мм, внешний радиус - 24 мм и толщину стенки - 1 мм. Края перемычек - без насечек. Отношение I/r составляло 0,77 МА/мм. Для такого устройства расчетное время переключения тока в нагрузку оказалось равным τ≈160 нс. Максимальное напряжение на размыкаемом проводнике - около 430 кВ.

Полученные результаты показывают, что характерное время коммутации заявляемого устройства сокращается с ростом линейной плотности тока с 700 нс до ~140…160 нс (у прототипа τ≈1 мкc), причем оно зависит от линейной плотности тока, а не от его абсолютного значения. Это доказывает возможность достижения большей мощности заявляемого устройства по сравнению с прототипом.

В последнем расчетном варианте устройства индуктивность его выходного (нагрузочного) контура (n·LΩ+LW) примерно совпадает с индуктивностью нагрузки прототипа (≈5…6 нГн). Поэтому в соответствии с формулой (2) сокращение фронта нарастания тока в нагрузке означает большую, чем в прототипе, среднюю скорость n·Ωt нарастания сопротивления. Одновременно это доказывает возможность достижения большего значения сопротивления в момент коммутации в силу его кратности числу перемычек, количество которых можно увеличивать.

Кроме того, представленные примеры расчетного моделирования устройства показывают его большую электропрочность (370 кВ, 430 кВ) по сравнению с прототипом, в котором напряжение на размыкаемом проводнике не превышало 150 кВ.

Отношение величины коммутируемого тока к радиусу перемычек закорачивающего проводника в приведенных расчетах составляло 0,77 и 1,15 МА/мм, в то время как для прототипа отношение коммутируемого тока к радиусу установки лайнера равнялось 0,47 МА/мм. Это означает, что радиальный габарит заявляемого устройства в 1,5 - 2 раза меньше, чем у прототипа, при том же уровне коммутируемого тока.

Список источников

1. V.K.Chernyshev, G.S.Volkov, V.A.Ivanov, V.V.Vakhrushev. Study of basic regularities of formation of multi-MA-current pulses with short risetime by EMG circuit interruption // Proceedings of second International Conference on Megagauss Physics and Technology / Ed. by Turchi P.J. - N.Y. Plenum Press, 1980, p.663-675.

2. Заявка на изобретение JP 7-114867, 1993 г., Н01Н 39/00.

3. V.K.Chernyshev et.al. Current magnetic field pressure effect on explosive opening switch operation // Proceedings of IX-th International Conference on Megagauss Physics and Technology / Eds. V.D.Selemir, L.N.Plyashkevich-Sarov, RUSSIA, VNIIEF, 2004, p.310-313.

4. Патент РФ №2399111, кл. МПК Н01H 39/00, опубликовано 10.09.2010 г., бюл. №25.

5. А.А.Петрухин, Н.П.Бидыло, С.Ф.Гаранин и др. Формирование импульса тока с помощью размыкающего ключа, приводимого в действие магнитным полем // Труды третьей международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам / Под редакцией В.М. Титова, Г.А. Швецова. - Новосибирск, 13-17 июня 1983 г. Изд.: Москва, «Наука»; 1984, с.406-409.

6. Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. Москва, изд. «Мир», 1972.

7. R.Reinovsky, W.Anderson, W.Atchison et.al. Stability of magnatically imploded liners for high energy density experiments // Proceedings of VIII-th International Conference on Megagauss Magmrtic Field Generation and Related Topics, 1998 / Edited by Hans J. Schneider-Muntau. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., USA, 2004, p.473-478.

8. Бакулин Ю.Д., Куропатенко В.Ф., Лучинский A.B. Магнитогидродинамический расчет взрывающихся проводников. ЖТФ, 1976, том 46, с.1963.

1. Способ формирования импульса тока в нагрузке, заключающийся в разрыве контура индуктивного накопителя энергии, запитываемого от импульсного источника тока, путем размыкания проводника, закорачивающего контур, под действием давления магнитного поля, создаваемого протекающим по проводнику током, с последующим переключением тока в нагрузку, отличающийся тем, что размыкание осуществляют, инициируя развитие магнитогидродинамических неустойчивостей на локальных неоднородностях проводника, вызывающих его разрушение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что развитие магнитогидродинамических неустойчивостей ускоряют, воздействуя на проводник давлением магнитного поля с плотностью энергии, обеспечивающей плавление материала проводника в местах расположения локальных неоднородностей.

3. Устройство для формирования импульса тока в нагрузке, содержащее импульсный источник тока и индуктивный накопитель энергии, контур которого включает коаксиальные электроды и закорачивающий их проводник, установленный в вакуумной полости между электродами с зазорами по отношению к ним, отличающееся тем, что поверхность проводника, на которую воздействует давление магнитного поля, имеет локальные неоднородности, выполненные в виде одной или ряда последовательно расположенных кольцевых проточек, которые образуют на проводнике один или ряд перемычек.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на края перемычек нанесены насечки.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что поверхности электродов, обращенные в вакуумную полость, облицованы изоляционным материалом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технологии и оборудованию для передачи электроэнергии по одному проводящему каналу. .

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к инфранизкочастотным импульсным устройствам с термозависимыми времязадающими элементами, и может быть использовано в приборах автоматического контроля и регулирования.

Изобретение относится к мощной импульсной технике и может использоваться для генерации конечных последовательностей импульсов тока килоамперного диапазона в активной нагрузке.

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам генерирования субнаносекундных импульсов. .

Триггер // 2453987
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при создании переключающих устройств, схем включения (запуска) аппаратуры с малыми тепловыми потерями при значительных токах нагрузки.

Изобретение относится к технике высоких напряжений, а именно к устройствам высоковольтного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона.

Изобретение относится к электротехнике, касается «медленного» заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) от источника переменного тока (ИПТ) ограниченной мощности за много периодов изменения его напряжения.

Изобретение относится к технике СВЧ, предназначено для формирования высокочастотных импульсов и может быть использовано в радиолокации, в системах связи, исследовании газового разряда и плазмы.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании управляющих вычислительных систем, работающих длительное время в неблагоприятных внешних условиях.

Изобретение относится к модулю низкого, среднего или высокого напряжения, содержащему по меньшей мере одно закорачивающее устройство, в котором подвижный контакт может быть замкнут на неподвижном контакте.

Изобретение относится к разъединительному устройству переключения с первым электродным элементом и вторым электродным элементом, которые подвижны относительно друг друга для разъединения токопроводящей дорожки и по меньшей мере частично окружены электрически изолирующим корпусом, а также к способу производства разъединительного устройства переключения.

Изобретение относится к области экспериментальной физики, в частности к взрывным импульсным источникам энергии с формированием импульса тока мегаамперного уровня с возможностью регулирования выходного напряжения, и может быть использовано, например, для исследования свойств высокотемпературной плазмы, для запитки газоразрядных камер типа «плазменный фокус».

Изобретение относится к области электротехники и может быть использован в качестве устройства для размыкания сильноточных электрических цепей и формирования импульса тока с временем нарастания меньше одной микросекунды.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве устройства для размыкания сильноточных электрических цепей и формирования импульса тока с временем нарастания меньше одной микросекунды.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к формированию импульса напряжения с помощью переключателя, приводимого в действие взрывом. .

Изобретение относится к области экспериментальной физики, в частности к взрывным импульсным источникам энергии с формированием импульса тока мегаамперного уровня, и может быть использовано, например, для исследования свойств высокотемпературной плазмы.

Изобретение относится к средневольтному распределительному устройству, оборудованному устройством короткого замыкания, выполненным в вакуумной камере с прерывателем
Наверх