Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

310

Глава 16. Импульсные трансформаторы

соединены последовательно и напряжения, индуцируемые первичными обмотками

на этом стержне, суммируются. Корпус ЛИТ набран из отдельных секций, запол-

ненных глицерином. Внутри каждой секции размещено по два индуктора. Индук-

тор состоит из двух сердечников, изготовленных из тонкой электротехнической

стали. Для их размагничивания применялась специальная схема, содержащая раз-

вязывающую индуктивность, конденсатор и разрядник.

В установке «СНОП-3» ЛИТ используется для зарядки промежуточного емко-

стного накопителя с волновым сопротивлением 1,3 Ом и электрической длиной

75 не. Напряжение нарастает до максимума 2 МВ за 1,3 мкс. Накопитель 6

(рис. 10), коммутатор 9 и формирующая линия 10 образуют 1С-контур со време-

нем нарастания напряжения до максимума 300 не. Энергия из накопителя в фор-

мирующую линию передается резонансно: два пробега электромагнитной волны от

коммутатора до конца накопителя и обратно (-300 не) соответствуют четырем ее

пробегам из конца в конец по линии (-300 не). Формирующая линия разряжается

на передающую линию 12 с таким же волновым сопротивлением через неуправ-

ляемый многоштыревой коммутатор 11. В конце передающей линии находится

блок нагрузки 15.

Дальнейшее развитие идеология установок «Модуль» и «СНОП» нашла при

разработке многоцелевой установки «МИГ» [16]. Она предназначена для генери-

рования импульсов с амплитудой напряжения до 6 МВ, токов до 2,5 МА с мощно-

стью 2,5 ТВт. Диапазон нагрузок составляет от единиц до сотен Ом, так как на-

грузками являлись системы типа 2-пинчей или электронные пучки. В этой уста-

новке для получения напряжения на нагрузке 6 МВ используются прерыватели

тока на основе плазменного прерывателя, а также взрыва проводников.

Ускоритель «Негтез-Ш» [4], построенный в 8Ш,, является самой мощной в

мире системой на основе ЛИТ. Он имеет ускоряющее напряжение 20 МВ, ток пуч-

ка 800 кА, длительность импульса 40 не и предназначен для проведения испыта-

ний в условиях больших доз радиации. Он способен обеспечить мощность дозы

5-Ю

Р/с в цилиндрическом объеме с площадью основания 500 см

Главным отличием ускорителя является использование вакуумной коаксиальной

линии с магнитной самоизоляцией для суммирования напряжений от 20 индуктор-

ных секций ЛИТ. Линия с магнитной изоляцией образована катододержателем и

внутренними цилиндрическими поверхностями секций, охватывающих этот катодо-

держатель. Электромагнитный импульс подается в линию через кольцевые щели во

внутренней поверхности индукторных секций. Последние содержат передающие

линии и магнитные сердечники, обеспечивающие высоковольтную изоляцию за счет

индуктивности. При такой конструкции установки с ускоряющим напряжением

20 МВ возникают трудности, во-первых, с обеспечением изоляции накопительных

секций на это напряжение и, во-вторых, с уменьшением токов утечки, возникающих

из-за эмиссии электронов с катододержателя при столь высоких напряжениях.

Первая задача решается применением магнитных сердечников из метгласа, обес-

печивающих индуктивную развязку секций от полного напряжения. Вторая труд-

ность преодолевается тем, что катододержатель является одновременно элементом

вакуумной линии с магнитной изоляцией, работающей в самосогласованном режиме

и обеспечивающей транспортировку «электронного слоя», образованного электро-

нами утечки, в диод. Это позволило создать ускоритель с малыми потерями.

§16.4

Линейный импульсный трансформатор

311

Ускоритель «Негтез-Ш» [4] (рис. 11) содержит десять генераторов Маркса,

двадцать промежуточных накопителей энергии, двадцать многоэлектродных газо-

вых коммутаторов с лазерным поджигом, восемьдесят формирующих и передаю-

щих водяных линий и двадцать ЛИТ - индуктивно изолированных накопительных

кольцевых секций, которые переключают энергию в систему суммирования на-

пряжения - магнитоизолированную вакуумную коаксиальную линию, доставляю-

щую энергию в электронный диод - конвертор излучения. Система накопления

энергии состоит из первичного и промежуточного накопителей. Первичный нако-

питель включает десять генераторов Маркса с энергией 156 кДж и выходным на-

пряжением 2,4 МВ каждый. Эти генераторы располагаются по 5 штук в двух баках

с обеих сторон ускорителя. Промежуточный накопитель - 20 цилиндрических во-

дяных конденсаторов емкостью 19 нФ. При оптимальных условиях каждый кон-

денсатор заряжается до 2,2 МВ за 950 не.

Газовые коммутаторы переключают энергию из промежуточного накопителя в

формирующие линии, когда напряжение достигает амплитудного значения. Два-

дцать разрядников, заполненных элегазом, ответственны также за всю синхрониза-

цию ускорителя. Коммутаторы помещены в трансформаторное масло и по конст-

рукции подобны коммутаторам, применяемым в установке «РВРА-П». Они также

имеют две секции: управляемую посредством лазерного поджига и неуправляе-

мую, где напряжение распределяется по десяти зазорам. Среднеквадратичный раз-

брос срабатывания разрядников при лазерном поджиге не превышает 2 не. Разряд-

ник обеспечивает надежную работу до 2,5 МВ. Для запуска разрядников использу-

ется импульсный КгР лазер (^«248 нм) с длительностью импульса 20 не и

энергией 900 мДж. Оптическая система из 20 волоконных трактов, подводящих

излучение к коммутаторам, позволяет с помощью зеркал регулировать время за-

держки импульса в пределах ±5 не.

Система формирования импульсов состоит из восьмидесяти модулей-формиро-

вателей. От каждого водяного накопителя заряжается четыре модуля-формиро-

вателя. В них формируются импульсы, которые складываются в параллельно-после-

довательной комбинации, чтобы получить выходной импульс, питающий электрон-

ный диод. Модуль-формирователь (рис. 12) [17] представляет собой коаксиальную

Рис.

16.11.

Эскиз

общего

вида ускорителя «Негтез-Ш» [4]

312

Глава 16. Импульсные трансформаторы

Рис. 16.12. Модуль-формирователь ускорителя «Негтез-Ш». 1 - изолятор; 2 - формирую-

щая линия; 3 - выход датчиков напряжения; 4 - водяной разрядник; 5 - технологические

отверстия; 6 - электрод срезающего разрядника;

- обостряющий разрядник; 8 - диафраг-

ма; 9 - выходная передающая линия

водяную линию с волновым сопротивлением 5 Ом. Каждый модуль имеет секцию

формирования импульса, секцию обострения и выходную передающую линию, а

также разрядник формирующей линии, обостряющий и срезающий разрядники,

работающие на самопробое в воде. Срезающий разрядник используется для умень-

шения длительности импульса, а его электрод - также для подавления предым-

пульса. Напряжение на выходе формирующего модуля 1,3 МВ, ток - 260 кА.

Индукторные секции [18] выполняют две функции: сложения и передачи им-

пульсов от четырех модулей-формирователей и обеспечения высоковольтной изо-

ляции за счет индуктивного падения напряжения, чтобы выходные импульсы таких

секций, не изолированных на полное напряжение от «земли», могли суммировать-

ся в вакуумной передающей линии без пробоя. Каждая секция представляет собой

полый тороид с наружным диаметром 3 м, внутренним диаметром 0,762 м и высо-

той 0,6 м. Она заполнена трансформаторным маслом и весит 9 т. В индукторной

секции (рис. 13) смонтированы под углом 90° друг к другу четыре идентичные

Рис. 16.13. Индукторная секция ускорителя «Негтез-Ш». 1 - азимутальная передающая

линия; 2 - высоковольтный ввод; 3 - вакуумный изолятор; 4 - сердечники из метгласа; 5 -

радиальный вакуумный вывод; 6 - вакуумная линия;

- трансформаторное масло

§16.4

Линейный импульсный трансформатор

313

азимутальные передающие линии. По ним электромагнитный импульс транспор-

тируется от водяных линий и передается через радиальные щели в вакуумную ко-

аксиальную линию, расположенную по оси этой секции.

Вакуумная коаксиальная линия с магнитной самоизоляцией (рис. 14) [19],

внутренним электродом которой является катододержатель, разделяется на две об-

ласти. Первая - секция суммирования напряжения длиной 12,8 м - обеспечивает

последовательное сложение импульсов от индукторных секций ЛИТ. Вторая - со-

гласующая секция - служит для транспортировки энергии к диоду и создания не-

обходимой временной развязки, делающей работу суммирующей секции менее

зависимой от условий импеданса

электронном диоде.

Область суммирования напряжения образована внутренними полостями двадца-

ти прилегающих друг к другу индукторных секций. Подбор оптимальной геометрии

катододержателя в этой области имеет важное значение как для согласованной пере-

дачи энергии, так и для возникновения утечек вследствие эмиссии электронов с него.

Геометрия катододержателя, показанная на рис. 14, предпочтительна с нескольких

точек зрения. Его радиус должен быть постоянным в пределах одной индукторной

секции. Это обеспечивает постоянный импеданс, который ступенчато нарастает к

концу линии, и, следовательно, лучшее согласование с выходом индукторной секции.

Такая конструкция предпочтительна и механически, учитывая длину катододержате-

ля (12,8 м) и необходимость его прецизионной установки по оси системы.

Поскольку из-за высокой напряженности поля на катододержателе неизбежно

возникает электронный слой, большое значение имеет самосогласованный режим

работы вакуумной линии. Ее конструкция позволяет уравнять потоки энергии от

каждой из 20 индукторных секций и обеспечить режим самоограничения магни-

тоизолированной линии, т.е. работу при минимальном токе.

Рис. 16.14. Схема суммирования напряжений в магнитно-изолированной линии. 1 - индук-

торные секции; 2 - выход энергии; 3 - сердечники из метгласа; 4 -

линия

с магнитной са-

моизоляцией; 5 -радиальный вакуумный вывод; 6 -

область

суммирования напряжений;

согласующая секция; 8 -

диод;

9 -

катод;

10 -

электронный

пучок; И - анод

314

Глава 16. Импульсные трансформаторы

Группа Ковальчука [20] в ИСЭ разработала серию импульсных генераторов с

линейным трансформатором типа «1ЛЮ». На рис. 15 показаны конструкция и

упрощенная электрическая схема ступени «1ЛЮ-100», построенной на базе кон-

денсаторов с параметрами 100 кВ, 40 нФ, 25 нГн, 270 мОм. Ступень содержит во-

семнадцать конденсаторов, разбитых на девять идентичных пар (2), конденсаторы

каждой пары заряжаются разнополярно до напряжения ±100 кВ. В контуре пары

имеется последовательный разрядник 7, который подключает конденсаторы пары к

нагрузке 5. Высоковольтная изоляция обеспечивается полиэтиленовыми изолято-

рами 3 и заполнением объема ступени трансформаторным маслом. Сердечник сту-

пени намотан лентой из стали. Он состоит из шести колец с общим сечением

53 см

. Ступень предназначена для работы на нагрузку К =

{ЫС)

~ 0,4 Ом.

На рис. 16 показан вид ступени сбоку. Она имеет форму диска с диаметром

1350 мм и высотой 200 мм, девять пар конденсаторов расположены равномерно по

окружности. В качестве зарядных резисторов используются жидкостные резисто-

ры (водный раствор Си80

) с сопротивлением ~1 кОм, пусковые резисторы с

таким же сопротивлением выполнены из проводящей резины. К ступени подклю-

чены пять кабелей: два кабеля зарядного напряжения, два кабеля тока подмагни-

чивания сердечников и один пусковой кабель. Напуск и сброс сухого воздуха из

разрядников осуществляется через один штуцер.

§16.5

Трансформаторы

использованием длинных линий

315

Конденсаторы С+

Напуск/сброс

сухого воздуха

Ввод

тока

подмагничивания (±)

Конденсаторы С-

Ввод зарядного

напряжения (±)

Зарядные

резисторы

Пусковые

резисторы

Ввод пускового

напряжения

Рис. 16.16. Ступень 1ЛТМ00: вид сбоку

Электрические параметры ступени «ЫЮ-100» с 18 конденсаторами Мах\уе11

31165:

Емкость накопителя 180 нФ

Индуктивность: конденсаторов, разрядников 29

и подводов к нагрузке

Индуктивность нагрузки 3 нГн

Сопротивление нагрузки 400 мОм

Сопротивление конденсаторов и разрядников 82 мОм

При указанных параметрах электрического контура в режиме короткого замыкания

с индуктивностью выходного коаксиала 3 нГн время вывода энергии из конденса-

торов в энергию магнитного поля составляет 125 не при амплитуде тока 380 кА.

Путем простого суммирования ступеней такого трансформатора можно конст-

руировать импульсные генераторы с очень широким набором параметров.

§ 16.5 Трансформаторы с использованием длинных линий

Кроме рассмотренных выше трансформаторов с сосредоточенными параметра-

ми, в технике мощных наносекундных импульсов используют также трансформа-

торы на длинных линиях (см. главу 4). На рис. 17 изображен генератор высоко-

вольтных импульсов, предложенный Льюисом [21] и разработанный Павловским и

Склизковым [22]. Генератор состоит из трех основных элементов: формирующей

линии ФЛ, разрядника и трансформирующей линии ТЛ. Формирующая линия

316

Глава 16. Импульсные трансформаторы

Рис.

16.17. Схема генератора

наносекундных

импульсов на 300

кВ

выполнена из пяти отрезков кабеля длиной 25 м каждый, соединенных параллель-

но, и заряжается до напряжения 70 кВ. При срабатывании разрядника на ФЛ фор-

мировался прямоугольный импульс длительностью 0,25 мкс, со временем нараста-

ния не более 5 не и амплитудой 35 кВ. Трансформирующая линия также состояла

из пяти отрезков кабеля. Входное сопротивление ТЛ равнялось волновому сопро-

тивлению ФЛ. На выходе ТЛ все кабели были соединены последовательно. Элект-

рическая длина ТЛ выбиралась равной длительности импульса. Отрезки кабеля

в ТЛ были выполнены в виде катушек, удаленных друг от друга и от окружающих

массивных металлических предметов на расстояние не менее 10-20 см. Катушки

размещались на бакелитовой трубе диаметром 30 см. Высоковольтные концы для

предотвращения короны тщательно заделывались и вместе с нагрузкой помеща-

лись в масло. Использовался разрядник коаксиальной конструкции, работающий

при давлении в несколько атмосфер. На генераторе при согласовании с нагрузкой

был получен прямоугольный импульс с амплитудой 160 кВ длительностью

0,25 мкс. При нагрузке Я

= 2 кОм был получен импульс с амплитудой 300 кВ и

временем нарастания 50 не.

Для получения высоковольтных (амплитудой до 300 кВ) импульсов длитель-

ностью 250 не при длительности фронта 20 не можно использовать двухступен-

чатую формирующую линию и трансформатор на отрезках кабелей [23]. Схема

трансформатора приведена на рис. 18. Генератор состоит из четырех основных

узлов: формирующей линии ФЛ, коммутирующего тиратрона ТГИ-1-2500/35,

трансформирующей линии ТЛ и корректирующих элементов Ь

ки

ЬС

кь

кЬ

С* .

Работа схемы осуществляется в следующем порядке. После запуска тиратрона

§16.5

Трансформаторы

использованием длинных линий

317

Рис. 16.18. Генератор высоковольтных импульсов с амплитудой 300 кВ

на

трансформаторе

из

отрезков кабеля

поджигающим импульсом начинается разряд левого плеча двухступенчатой фор-

мирующей линии, заряженной до напряжения /7

. Через время х

= где / - дли-

на левого плеча;

- скорость волны напряжения, на выходе формирующей линии

выделяется импульс напряжения длительностью /

= 2// V. Амплитуда импульса

при условии согласования формирующей линии с входным сопротивлением

трансформирующей линии равна (У

- Сформированный импульс распространяется

по кабелям, соединенным параллельно на входе и последовательно - на выходе.

При выполнении условия согласования на нагрузке К

= Ш

- волновое со-

противление отдельного кабеля; N - число кабелей) на нагрузке выделяется на-

пряжение /7

= М/

Формирующая линия была выполнена из коаксиального кабеля. Каждое плечо

линии содержало двадцать параллельно включенных отрезков кабеля длиной по

20 м. Конструктивно кабели в правом плече представляли собой десять отрезков по

40 м, каждый из которых в электрическом отношении эквивалентен двум парал-

лельно включенным двадцатиметровым отрезкам, разомкнутым на концах. Комму-

тирующий тиратрон для уменьшения собственной индуктивности был помещен в

металлический кожух. При этом частота срабатывания достигала 13 импульсов в

секунду при пропускаемом токе в импульсе до 12 кА.

Трансформатор на отрезках коаксиальных кабелей состоял из семи отрезков ка-

беля с волновым сопротивлением 2о = 50 Ом длиной по 60 м. Каждый отрезок ка-

беля наматывался на каркас из пяти вставленных одна в другую винипластовых

труб и образовывал пятислойную катушку. Индуктивность катушки равнялась

I = 600 мкГн.

Из-за большой собственной индуктивности и значительного времени иониза-

ции (около 50 не) тиратрона ТГИ-1-2500/35 происходило значительное искажение

318

Глава 16. Импульсные трансформаторы

формы импульса. Для компенсации этих искажений в генераторе была применена

схема коррекции Ь

к]

, Ь^ С

кЬ

\ и дополнительная корректирующая емкость С'

(рис. 18). Емкость С'

, корректирующая плоскую часть импульса, была включена

параллельно тиратрону. Величина этой емкости зависит от параметров тиратрона

(времени ионизации, индуктивности) и разрядной цепи и подбирается эксперимен-

тально в пределах от 3 до 5 нФ. Индуктивность Ь

\ из 14 витков была выполнена

на восьми ферритовых кольцах с внутренним диаметром 80 мм, внешним -

120 мм. Индуктивность Ь

к2

содержала семь витков на двенадцати ферритовых

кольцах с внутренним диаметром 33 мм и внешним диаметром 55 мм. Конденсатор

1 = 30 пФ представлял собой 16 включенных последовательно конденсаторов по

470 пФ. В качестве С

применялся конденсатор емкостью 3,3 пФ на 37 кВ.

На рис. 19 показана схема трансформатора на отрезках коаксиальных линий,

намотанных на ферромагнитный сердечник [24]. Обмотки состоят из трех отрезков

коаксиального кабеля. Начала и концы оплетки отрезков кабеля соединены парал-

лельно и образуют первичную обмотку трансформатора. Жилы отрезков кабеля

соединены последовательно и образуют вторичную обмотку. Коэффициент транс-

формации п равен числу отрезков кабеля. Для увеличения индуктивности обмотки

кабеля наматываются на ферромагнитный сердечник. В случае коротких импуль-

сов лучшим материалом для сердечника можно считать феррит.

Паразитные параметры трансформатора определяются с достаточной для экс-

перимента точностью через погонные параметры коаксиального кабеля. Высокая

импульсная электрическая прочность коаксиальных кабелей позволяет получать на

выходе такого трансформатора короткие высоковольтные импульсы с амплитудой в

десятки киловольт. Существенное достоинство кабельного трансформатора - ус-

тойчивость к сильным динамическим воздействиям, возникающим при прохожде-

нии через обмотки больших импульсных токов, что объясняется коаксиальностью

обмоток. Это свойство позволяет использовать такой трансформатор также при

формировании больших импульсных токов.

Максимальная амплитуда импульса на выходе кабельного импульсного транс-

форматора определяется импульсной электрической прочностью и для выпус-

каемых в настоящее время коаксиальных кабелей может достигать величины

Рис.

16.19.

Схема соединения обмоток кабельного импульсного трансформатора с коэффи-

циентом трансформации 3. Н,

начало и

конец

кабеля;

Ц\ - входное напряжение

§16.5

Трансформаторы

использованием

длинных линий 319

приблизительно 100 кВ. Для увеличения амплитуды импульса тока в принципе

можно применять наносекундные импульсные трансформаторы напряжения, по-

меняв местами вход и выход.

Известны конструкции понижающего воздушного трансформатора, в котором в

качестве обмоток используются витки коаксиальных кабелей. Аналогичный прин-

цип используется в трансформаторах, предназначенных для получения импульсов

напряжения, где в качестве обмоток применяются жита и проводящая оболочка

кабеля, что позволяет улучшить частотную характеристику трансформатора [25].

В [26] описан трансформатор для повышения тока со спиральной намоткой ко-

аксиального кабеля (рис. 20). На каждом витке спирали проводящая оболочка ка-

беля срезана на небольшой длине. Срезы располагаются друг над другом, а их края

соединены шинами с нагрузкой. Кабель через коммутатор К подключается к бата-

рее конденсаторов С. При разряде конденсаторов ток протекает по жиле кабеля,

через концевые участки оболочки, сборные шины и нагрузку. В оболочке витков

наводится эдс, вследствие чего через нагрузку протекает суммарный ток всех вит-

ков. Трансформатор по такой схеме был сделан на кольце феррита. Вторичной об-

моткой является экран, надетый на провод первичной обмотки, причем все витки

экрана разомкнуты, включены параллельно и подключены к нагрузке. С таким

трансформатором был изготовлен генератор импульсов тока, обеспечивающий ко-

эффициент трансформации 20, фронт импульса 4 не, амплитуду 150 А и длитель-

ность импульса 3-10~

с.

При получении импульсов тока с фронтом около 10~

с удобно использовать в

качестве трансформатора систему из длинных линий, соединенных на входе по-

следовательно, а на выходе параллельно [27]. Вход и выход трансформатора согла-

совываются импедансами 2

ВХ

= Ш

и 2

ВЫХ

= 2

/7У, где 2

- волновое сопротивле-

ние линий трансформатора, число линий.

К 1 2

К нагрузке

Рис. 16.20. Трансформатор импульсов тока со спиральной намоткой коаксиального кабеля:

7,2

-внутренний и внешний проводники кабеля;

-сборные шины;

-срез оболочки

кабеля