Автореферат: Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD) с масляной изоляцией

сопротивление сердечника (среднее между расчетным значением 0.73 Ом и измеренным в эксперименте R_CORE~~ 0.57 Ом, см., например, рис. 15.);

L₂ = 1.05 нГн

расчетная индуктивность нагрузки.

С этими параметрами контур на рис. 17 представляет собой эквивалент сорока секций, включенных параллельно на сопротивление сердечника и нагрузку в предположении, что полная индуктивность секции в составе ступени L_i (включая индуктивность конденсаторов, разрядника и всех токопроводов) и сопротивление разрядника R_SW постоянны и равны:

(3)

Таким образом, при выполнении (3) основные выходные параметры ступени 1 МА LTD можно определить с использованием линейного RLC-контура, показанного на рис. 17. Можно считать, что условия (3) усредненным образом учитывают разброс моментов срабатывания разрядников ступени.

Согласованной нагрузкой для контура на рис. 17 с указанными параметрами для ступени 1МА LTD является R_M = 0.103 Ом. Согласно расчету, при разряде на такую нагрузку потери энергии в течение основного импульса напряжения в сопротивлениях разрядников составляют ~3% от энергии E₀, в сопротивлении конденсаторов ~12.5% от Е₀, в сопротивлении R_CORE = 0.65 Ом ~ 11.5% от E₀. Таким образом, возбуждение вихревых токов в сердечнике ступени 1МА LTD почти удваивает потери энергии, снижая эффективность передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку до ~70%. С целью снижения потери в сердечнике все последующие ступени 1МА LTD изготавливались с сердечниками, намотанными лентой марки ЭТ3425 толщиной 50 мкм, при этом сечение сердечника было увеличено с 56 см² до 64 см². При этом сопротивление R_CORE увеличилось (согласно эксперименту) до 1.5 Ом. Для схемы рис. 17 такое увеличение R_CORE дает повышение эффективности передачи энергии в согласованную нагрузку до ~79%.

Ступени 1МА LTD в количестве 5-ти штук были испытаны в ИСЭ СО РАН в составе модуля, работавшего в режиме ЛИТ, для питания нагрузки в виде вакуумного электронного диода. Одна такая ступень была поставлена в 2007 г. в Мичиганский университет (США), 10 таких ступеней были поставлены в Sandia National Laboratories (Альбукерк, США) летом 2008 г. для проведения испытаний в режиме IVA с водонаполненной выходной линией.

В четвертой главе описана конструкция, исследование и моделирование быстрой ступени LTD (ступень LTD16-8), позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт при токе ~200 кА, нарастающий за время ~40 нс.

Рис. 16. Поперечный разрез ступени LTD16-8.

Конструкция этой ступени аналогична конструкции ступени 1МА LTD, за исключением того, что она содержит 16 секций вместо сорока, при этом, в качестве накопительных конденсаторов использованы конденсаторы с пониженной емкостью GA35436 (100 кВ, 8.4 нФ, 35 нГн, 0.3 Ом). Для снижения потерь энергии в ступени LTD16-8 сечение ее сердечника было выбрано примерно равным сечению сердечника ступени 1МА LTD, и он изготавливался из ленты толщиной =50 мкм. Поперечный разрез ступени LTD16-8 с указанием основных размеров дан на рис. 18.

Ступень LTD16-8 испытывалась как с масляной, так и с газовой изоляцией. Для испытаний с газовой изоляцией стeпень помещалась между двумя эллиптическими крышками, при этом в верхнем и нижнем фланцах индуктора ступени делалось по одному отверстию. При испытаниях с масляной изоляцией эти отверстия служили для заполнения полости ступени трансформаторным маслом, при испытаниях с газовой изоляцией эти отверстия были открыты, так что газ проникал внутрь ступени, однако избыточное давление воздействовало только на эллиптические крышки и их торцевые фланцы. Фотография ступени LTD16-8 в сборе с эллиптическими фланцами показана на рис. 19.

Ступень LTD16-8 испытывалась с резистивной нагрузкой в виде кольцевой полости, заполненной водный раствором KBr, аналогично тому, как это делалось при испытаниях ступени 1МА LTD. Все испытания проводились при пассивном подмагничивании, при этом вольтсекундный интеграл сердечника составлял .

Рис. 17. Ступень LTD16-8 в сборе перед проведением испытаний.

При испытания с газовой изоляцией (смесь воздуха с элегазом) наблюдался ярко выраженный полярный эффект, проявившийся в пробоях вдоль поверхности диэлектрика с положительных электродов разрядника на корпус индуктора. Пробой инициировался высоким электрическим полем в тройной точке металл-диэлектрик-газ на поверхности положительного электрода разрядника, от этих пробоев удалось избавиться, замазав наиболее напряженную зону разрядников пластилином. После этого ступень работала при полном зарядном напряжении 100 кВ в чистом элегазе при давлении 2.5 ата, в смеси 20% SF6+80% воздуха - при давлении 3.9 ата. В чистом сухом воздухе при давлении 6 ата (максимальной давление для данной конструкции эллиптических фланцев) ступень работала при зарядном напряжении 95 кВ, при попытке поднять напряжение до 100 кВ внутри ступени начинались пробои при напряжении ~ 98 ата. При испытании ступени с масляной изоляцией было сделано более 1500 выстрелов из них 95 процентов при полном зарядном напряжении ±100кВ. На рис. 20-23 показаны результаты испытаний ступени при зарядном напряжении 100 кВ. Здесь точками показаны результаты, полученные с масляной изоляцией, треугольниками - результаты, полученные с газовой изоляцией (в чистом элегазе при давлении 3 ата), сплошными кривыми - результаты расчета в Pspice (см. далее). Выходные параметры ступени с маслом несколько выше, чем с газом, указывая на то, что в ступени с газом в момент выстрела все же происходят частичные разряды, приводящие к потерям энергии.

Рис. 20. Напряжение на нагрузке.

Рис. 21. Мощность на нагрузке.

Рис. 22. Длительность на полувысоте

Рис. 23. Энергия, выделенная в нагрузке импульса напряжения на нагрузке.

Из представленных результатов следует, что выходная мощность ступени LTD16-8 достигает максимума ~19.6 ГВт при R_L ~0.5 Ом, указывая, что данная нагрузка является для нее согласованной. При таком R_L выходное напряжение составляет ~100-105 кВ (ток ~200 кА), длительность импульса напряжения на полувысоте ~71-73 нс. В нагрузку передается ~1000 Дж энергии, что составляет ~75% от накопленной к конденсаторах.

Для моделирования ступени LTD16-8 использовался линейный RLC-контур, показанный на рис. 17, с параметрами:

С = 67.2 нФ =0.5С_КN, С_К = 8.4 нФ - емкость конденсатора GA35436, N=16; U₀=100 кВ.

R₁= 0.045 Ом =[2R_K + R_SW]/N, R_K = 0.3 Ом - сопротивление конденсатора GA35436, R_SW = 0.12 Ом;

L₁ = 15 нГн =L_i/N, L_i = 240 нГн;

R_CORE = 4 Ом сопротивление сердечника (из эксперимента R_CORE~~4 Ом,); L₂ = 1.3 нГн расчетная индуктивность нагрузки

При таких параметрах и при выполнении условий (3) контур на рис. 17 эквивалентен 16-ти секциям, включенным параллельно на сопротивление сердечника и нагрузку. Как видно из рис. 20-23, этот контур с достаточной степенью достоверности воспроизводит экспериментальные данные. Из расчета следует, что в согласованном режиме (R_M=0.52 Ом) за время основного импульса в разрядниках теряется ~1.5% от E₀, в сопротивлении конденсаторов ~7.2% от E₀, в сердечнике ~10.3% от E₀. Таким образом, эффективность ступени LTD16-8 определяется, в основном, потерями в конденсаторах и сердечнике, как и эффективность ступени 1MA LTD.

Рис. 24. Наложенные друг на друга осциллограммы пускового напряжения U_П и напряжения на нагрузке U_L, зарегистрированные в 50-ти последовательных выстрелах при неизменных условиях.

Отметим, что сердечник ступени LTD16-8 при больших R_L не насыщается, и поэтому расчетная зависимость E_L=f(R_L), показанная на рис. 23, совпадает с полученной экспериментально.

На рис. 24 показаны наложенные друг на друга осциллограммы пускового напряжения U_П и напряжения на нагрузке U_L, зарегистрированные в 50-ти последовательных выстрелах при зарядном напряжении 100 кВ, давлении в разрядниках 3.6 ата, R_L ~0.5 Ом. Из этих осциллограмм следует, что абсолютный разброс момента срабатывания ступени не превышает 1.5 нс.

В Заключении подведены итоги проделанной работы, а также указано, что для практического использования технологии LTD необходимо решить все вопросы, связанные с надежностью элементной базы степеней LTD, т.е. конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников.

В Приложении А дано определение согласованной нагрузки RLC-контура R_M как нагрузки, на которой выходная мощность данного контура достигает максимального значения. Приведены значения R_M для некоторых линейных RLC-контуров, представляющих интерес с точки зрения LTD технологии.

В Приложении Б описана диагностика, использованная при испытаниях ступеней LTD в данной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана возможность построения быстрых ступеней LTD в составе до 40-ка параллельных секций, позволяющих получить в согласованной нагрузке ток ~1 МА, нарастающий за ~100 нс. Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет ~70%. Показана возможность построения еще более быстрых ступеней LTD на конденсаторах с емкостью ~8 нФ, с выходным током ~100 кА, нарастающим в согласованной нагрузке за время ~40 нс (при длительности ~75 нс на полувысоте импульса напряжения). Эффективность передачи энергии в таких ступенях составляет ~75%.

2. Исследована коммутационная характеристика многозазорного искрового разрядника типа Fast LTD. Показано, что ее несовершенство эквивалентно включению в разрядный контур накопителя нелинейного сопротивления и индуктивности, которые могли бы ограничивать выходную мощность ступеней LTD и эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку при попытке снижения длительности выходного импульса за счет уменьшения емкости накопительных конденсаторов. Тем не менее, выполненные эксперименты и расчеты показали, что сопротивление и индуктивность разрядника не оказывают катастрофического отрицательного воздействия на параметры ступеней LTD при снижении емкости накопительных конденсаторов до единиц нФ. Таким образом, можно ожидать, что технология LTD может быть использована для построения импульсных установок с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения вплоть до ~30 нс.

3. Достигнутый разброс моментов срабатывания разрядников позволяет рассчитывать основные выходные параметры обоих типов ступеней с помощью линейного RLC контура, эквивалентного параллельному включению секций ступени на сопротивление сердечника и нагрузку. Это значительно облегчает проектирование различных LTD-генераторов.

4. Продемонстрирована работа модуля в составе 5-ти ступеней 1МА LTD, работающего в режиме ЛИТ, на нагрузку в виде вакуумного электронного диода.

5. Достигнутые параметры быстрых ступеней LTD позволяют говорить о принципиальной возможности построения мощных LTD-генераторов 100-нс диапазона длительности, отличающихся простотой, унифицированностью и компактностью. Для практического использования технологии LTD необходимо решить все вопросы, связанные с надежностью их элементной базы, т.е. конденсаторов, разрядников и ферромагнитных сердечников.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Kim A.A., V.G. Durakov, S.N. Volkov, A.N. Bastrikov, B.M. Kovalchuk, V.A. Sinebryukhov, S.V. Frolov, V.M. Alexeenko, L. Veron, M. Toury, C. Vermare, R. Nicolas, F. Bayol, C. Drouilly. Gas switch performance depending on current in the circuit // Изв. вузов. Физика. - 2006. - №11. Приложение. - С. 297-300

2. A.A. Kim, A.N.Bastrikov, S.N.Volkov, V.G.Durakov, B.M. Kovalchuk, V.A.Sinebrykhov. Development of the ultra-fast LTD stage // Proc. 14^th Intern.Conf.High-Power Particle Beams, Albuquerque 2002, pp.81-84.

3. A.A.Kim, A.N. Bastrikov, S.N. Volkov, V.G. Durakov, B.M. Kovalchuk, V.A. Sinebryukhov, J.E.Maenchen, D.L.Johnson, D.V.Rose. Design and first test results of the 1 MV ultra-fast LTD generator // Proc. 4^th Intern. Symp. Pulsed Power and Plasma Applications, Nagaoka, 2003, pp.34-36.

4. A. A. Kim, A. N. Bastrikov, S. N. Volkov, V. G. Durakov, B. M. Kovalchuk, V. A. Sinebryukhov. 100 GW Fast LTD Stage // Proc. 13^th Inter. Symp. High Current Electronics, Tomsk 2004, p.141-144.

5. Kim A.A., A.N. Bastrikov, S.N. Volkov, V.G. Durakov, B.M. Kovalchuk, E.V. Kumpjak, V.A. Sinebryukhov, N.V. Tsou. LTD Technology of Primary Energy Storage // 15th Int. Conf. of High-Power Particle Beams, Saint-Petersburg, 2005, p.205

6. A.A. Kim, V.G. Durakov, S.N. Volkov, etc. Gas switch performance depending on current in the circuit // Proc. 14^th Symp. High Current Electronics, Tomsk 2006, p.297-300.

7. A. Kim, V. Sinebryukhov, B. Kovalchuk, A. Bastrikov, V. Durakov, S. Volkov, S. Frolov, V. Alexeenko, M. Mazarakis, D. McDaniel, C. Olson, K. Struve, R. Gilgenbach. Design and first tests of five 100 GW fast LTD cavities driving an e-beam diode load // Proc. 16^th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 17-22, 2007, p.144-147.

8. A. A. Kim, V. A. Sinebryukhov, B. M. Kovalchuk, A. N. Bastrikov, V. G. Durakov, S. N. Volkov, S. V. Frolov, V. M. Alexeenko, F. Bayol, C. Drouilly, F. Cubaynes, L. Veron, M. Toury, C. Vermare, R. Nicolas. Super Fast 75 ns LTD Stage // Proc. 16^th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 17-22, 2007, p. 148-151.

9. V.A. Sinebryukhov, A.A. Kim, et al. Multi gap switch for fast LTD stages // Proc. Megagauss 2008, Novosibirsk, 2008

10. Michael G. Mazarakis, William E. Fowler, Alexander A. Kim, Vadim A. Sinebryukhov, Sonrisa T. Rogowski, Robin A. Sharpe, Dillon H. McDaniel, Craig L. Olson, John L. Porter, Kenneth W. Struve, William A. Stygar, and Joseph R. Woodworth High current, 0.5-MA, fast, 100-ns, linear transformer driver experiments // Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.12, 050401, 2009

11. A.A. Kim, M.G. Mazarakis, V.A. Sinebryukhov, B.M. Kovalchuk, V.A. Visir, S.N. Volkov, F. Bayol, A.N. Bastrikov, V.G. Durakov, S.V. Frolov, V.M. Alexeenko, D. H. McDaniel, W. E. Fowler, K. LeChien, C. Olson, W.A. Stygar, K. W. Struve, J. Porter, R.M. Gilgenbach. Development and tests of Fast 1-MA linear transformer driver (LTD) stages // Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.12, 050402, 2009.

12. M. G. Mazarakis, S. Cordova, R. G. Gilgenbach D. L. Johnson, A. A. Kim, K. J. LeChien, J. J. Leckbee, F. W. Long, M. K. Matzen, R. G. McKee, J. L. McKenney, B. V. Oliver, J. L. Porter, V. A. Sinebryukhov, W. A. Stygar D. M. VanDevalde, K. Ward, J. W. Weed, J. R. Woodwirth. Linear Transformer Driver (LTD) Development at Sandia National Laboratory // Abstracts 17^th IEEE Pulsed Power Conf., Washington, DC, June 28-July 2, 2009, p. 129.