Мощная импульсная энергетика


СОДЕРЖАНИЕ:

Основные принципы генерирования мощных импульсов тока

Мгновенные значения мощности импульсных генераторов достигают огромных значений порядка сотен и тысяч киловатт. Для генерирования столь мощных импульсов тока или напряжения широкое применение нашли как сосредоточенные емкостные накопители, так и линейные ФД, состоящие из чисто реактивных элементов с минимальными потерями, способных запасать энергию в электрических полях конденсаторов или в магнитных полях катушек индуктивностей. При этом ФД выполняет две функ­ции – накопителя энергии и формирователя импульса [1], [4], [5], [7]. Генераторы, использующие сосредоточенные емкостные накопители, могут работать в режиме как полного, так и частичного разрядов. При полном разряде накопителя форма импульса определяется параметрами разрядного контура и в качестве коммутаторов могут использоваться полууправляемые коммутирующие приборы, такие, как тиратроны, игнитроны, вакуумные разрядники или тиристоры [9].

На рис. 1.3 показано, что емкостный накопитель С, заряжаемый от зарядного устройства ЗУ, подключается к нагрузке R c помощью ключа К.В случае частичного разряда емкостного накопителя должен быть использован полностью управляемый коммутатор, способный подключать нагрузку к накопителю на короткий отрезок времени, равный длительности импульсов, а затем отключать ее. Этот режим позволяет получать прямоугольные импульсы тока регулируемой длительности, причем параметры импульсов определяются как параметрами контура нагрузки, так и свойствами коммутатора. В качестве полностью управляемых ключей используются модуляторные лампы, силовые транзисторы или ключи постоянного тока, созданные на полууправляемых коммутирующих приборах. Работа генератора импульсов на основе ФД (рис. 1.4) подразделяется на две стадии, резко различающиеся по своей длительности. В течение сравнительно длительного времени осуществляется накопление энергии в ФД, для чего он посредством ключа К подключается к источнику питания Е через токоограничивающий резистор Rи. Затем ключ переключается из положения 1 в положение 2 и в течение кратковременной рабочей стадии t

В качестве ФД применяются отрезки однородных длинных линий с распределенными параметрами (ЛРП) или эквивалентные им цепи с сосредоточенными параметрами [2]–[4]. Простейшим примером однородной ЛРП являются два отрезка проводника, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу (например, линия электропередачи или отрезок коаксиального кабеля). Поскольку любой проводник обладает собственной распределенной индуктивностью, а диэлектрик, находящийся между этими проводниками, являющимися одновременно обкладками, создает распределенную емкость, то система в целом приобретает свойства ЛРП и электромагнитные процессы в ней имеют волновой характер.

Существенным отличием ЛРП от реактивных формирующих цепей 1-го и 2-го видов является не только то, что ЛРП обладает свойствами ФД, но и то, что она в силу своей симметрии может быть представлена также четырехполюсником. Униполярность токов и напряжений в элементах ЛРП на отрезке времени 0…t дает возможность создавать на основе ОИЛ, эквивалентных ЛРП, принципиально новые формирующие устройства – линии с квазираспределенным диодом (ЛРД) и линии с квазираспределенным ключом (ЛРК) или с управляемым вентилем, обладающие и новыми формирующими свойствами [10]–[13]. Такие устройства, достаточно просто реализуемые на практике, позволяют решить целый ряд новых задач, определяемых потребностями импульсных электротехнологий и требующих регулируемого во времени импульсного энерговклада как в линейные, так и в нелинейные нагрузки.

1.4. Принципы построения зарядных устройств
емкостных накопителей

При работе генераторов импульсов различают две основные стадии – стадию заряда накопителя и стадию его разряда на нагрузку. В генераторах импульсов накопление энергии обычно происходит в электрическом поле конденсаторов, иногда – в магнитном поле индуктивностей. Следует отметить, что процесс хранения электромагнитной энергии в электрическом поле происходит практически без потерь, а хранение энергии в магнитном поле индуктивных элементов постоянно сопровождается протеканием тока и, соответственно, потерями, существенно снижающими КПД генераторов. В связи с этим на практике нашли применение в основном емкостные накопители энергии и процессы заряда рассматриваются в данной работе при­менительно только к ним. Поскольку процессы заряда во времени длятся существенно дольше процессов разряда, то даже в случае заряда ФД с расщепленным емкостным накопителем (РЕН), т. е. ФД 1-го рода и ОИЛ, сам ФД можно рассматривать как сосредоточенную емкость , значение которой определяется суммой емкостей ячеек. В ФД 2-го рода накопителем, как будет показано далее, является только одна емкость . В силу этого процесс заряда ФД всегда можно рассматривать как процесс заряда сосредоточенной емкости и проблемы заряда являются общими для цепей любого вида. Поскольку в большинстве случаев ФД за время генерирования импульсов разряжается полностью (согласованный режим разряда), начало процесса заряда происходит при нулевых начальных условиях. Так как в качестве источников питания в основном используются источники ЭДС, возникает проблема ограничения тока заряда, которая решается различными способами, а их выбор определяется в первую очередь рабочими частотами генераторов.

Наиболее простым и надежным является резистивный заряд емкостных накопителей от источника постоянного напряжения Е (рис. 1.5), который может быть использован при любых рабочих частотах. Этот вид заряда нашел широкое применение в генераторах с частичным разрядом емкостных накопителей, поскольку при этом удается получать приемлемые значения КПД процесса заряда [7]. Однако в случае работы генератора в режиме полного разряда ФД или емкостного накопителя КПД процесса заряда не превышает 50 %. Это существенно ограничивает область применения данного вида заряда, который может быть использован только в маломощных установках.

В тех случаях, когда рабочая частота генератора меньше частоты питающей сети ( ), используют выпрямители и промежуточные емкостные накопители , значение которых должно существенно превышать значение статической емкости ФД, т. е. >> , что позволяет рассматривать такой вид заряда как заряд от источника напряжения Е. Если при этом в качестве токоограничивающего устройства используется зарядная индуктивность , заряд называется индуктивным, а в присутствии диода VD (рис. 1.7) сам процесс заряда называется резонансно-диодным. Длительность процесса заряда, определяющаяся параметрами резонансного контура – , равна а наличие вентиля VD обеспечивает сохранение зарядного напряжения на уровне >E, причем в режиме полного разряда ФД = 2Е. Кроме этого, существуют еще два вида индуктивного заряда – резонансный, когда и линейный, когда .

Резонансно-диодный заряд представляет наибольший интерес, поскольку обеспечивает двойное напряжение заряда по сравнению с напряжением источника питания, позволяет в широких пределах регулировать выходную частоту генератора, избегая промежуточных переходных процессов, и имеет высокий КПД [9]. Некоторым недостатком этого вида заряда является сложность регулирования уровня зарядного напряжения, для чего обычно используются регулируемые источники питания, например управляемые выпрямители. Как будет показано далее, существуют схемные решения, позволяющие регулировать напряжение заряда при питании от источника неизменного напряжения.

Существенный интерес представляет собой заряд емкостных накопителей от источников тока. В качестве таких источников обычно используют индуктивно-емкостные преобразователи (ИЕП), которые преобразуют источники гармонического напряжения в источники гармонического тока и после выпрямления обеспечивают заряд емкостных накопителей постоянным и неизменным током.

Более сложной задачей является заряд расщепленных емкостных накопителей (РЕН), представляющих собой n конденсаторов, имеющих общую шину и n раздельных зажимов, которые обеспечивают подключение каждого накопителя к зарядным и разрядным цепям. Основной проблемой здесь является необходимость получения регулируемых в широких пределах уровней зарядных напряжений каждой из отдельных ячеек РЕН. Наиболее интересным представляется использование в качестве зарядного устройства одного общего нерегулируемого источника питания и коммутатора зарядного тока (КЗТ), обеспечивающего переключение общей цепи заряда с одной ячейки РЕН на другую без прерывания тока заряда.

2. Генераторы прямоугольных
импульсов тока на основе реактивных
формирующих двухполюсников

Альтернативная
наука

Ф. М. КАНАРЁВ / ИМПУЛЬСНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Ф.М. Канарёв. Начала физхимии микромира. Монография. Том II. ИМПУЛЬСНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Результаты длительного эксперимента доказывают ошибочность первого закона динамики Ньютона и ошибочность старого закона электродинамики, описывающего формирование средней величины импульсной электрической мощности. Новые законы механодинамики уже систематизированы. Разработаны основы и новой электродинамики, которые уже вступили в стадию реализации при разработке электромоторов-генераторов МГ-1 и МГ-2. Достоверность нового закона формирования средней импульсной электрической мощности уже доказана серией различных экспериментов.

Показано приложение новой теории микромира к решению практических энергетиче-ских задач. Главной из них является переход на импульсную энергетику, которая лежит в основе импульсного электропитания живых организмов, созданных Природой. Главный их орган – сердце питается электрическими импульсами одну треть периода, а две третьи сердце отдыхает, а созданные человеком электрогенераторы, аккумуляторы и батареи производят электроэнергию непрерывно и большая её часть используется не импульсами, а непрерывно. Человек до сих пор не понял экономность импульсного использования электрической энергии и продолжает расходовать её расточительно, загрязняя среду своего обитания вредными компонентами её природных энергоносителей.
Главная причина создавшегося положения – неограниченное доверие к математи-кам. Физические ошибки, лежащие в основе их математических моделей, описывающих получение электрической энергии, и её использование, прочно закрывали понимание про-цессов экономности её импульсного производства и использования. Исправим эти ошибки и откроем путь импульсной энергетике.

СОДЕРЖАНИЕ
1. ЭЛЕМЕНТЫ НОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ……………………3
Вводная часть……………………………………………………………..3
1. 1. Электрон……………………………………………………………….3
1.2. Протон и нейтрон……………………………………………………..4
1.3. Движение электронов вдоль проводов (плюс – минус, юг-север)7
1.4. Электроны в проводе с постоянным напряжением……………..12
1.5. Электроны в проводе с переменным напряжением……………..14
1.6. Энергия и мощность постоянного и переменного токов………..16
1.7. Принципы работы электромоторов и электрогенераторов…….18
1.8. Принцип работы диода………………………………………………21
1.9. Зарядка диэлектрического конденсатора…………………………23
1.10. Разрядка диэлектрического конденсатора……………………….25
1.11. Конденсатор + индуктивность……………………………………..26
2. ГЛОБАЛЬНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ ОШИБКА МАТЕМАТИКОВ И
НОВЫЙ ЗАКОН ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ…………………………………………………………….29
3. БАЛАНС МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМОТОРА-ГЕНЕРАТОРА …37
3.1. Теоретическая часть………………………………………………37
3.2. МГ + ячейка электролизёра + лампочка ………………………..41
3.3. Результаты контрольного эксперимента………………………43
4. АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ……………………..44
5. ВОДА-ИСТОЧНИК ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА……………52
5.1. Противоречия существующей теории электролиза воды…….54
5.2. Новая теория электролиза воды и её
экспериментальная проверка…………………………………………56
5.3. Анализ процесса питания электролизёра……………………..67
5.4. Низкоамперный электролиз воды……………………………..77
5.5. Экспериментальная проверка гипотезы
низкоамперного электролиза воды……………………………….80
5.6. Вода, как источник электрической энергии………………….84
5.7. Эффективность топливных элементов ………………………86
6. ВОДА-ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ………………90
6.1. Плазменный электролиз воды………………………………….90
6.2. Физическая модель процесса………………………………….95
6.3. Химическая модель процесса…………………………………96
6.4. Схемы моделей плазмоэлетролитических ячеек……………97
6.5. Энергетика химических связей молекул воды……………..99
6.6. Неисчерпаемый источник энергии ……………………………102
6.7.Варианты экспериментальной проверки
эффективности предплазменного теплового эффекта ………..108
6.8. Протокол контрольных испытаний…………………………..113
6.9. Оценка возможности реализации, выявленного
энергетического эффекта…………………………………………….119
7.САЯНО-ШУШЕНСКИЙ ИМПУЛЬС……………………………122
7.1. Вводная часть……………………………………………………122
7.2. Начало теории импульса силы и ударной силы……………122
7.3. Теорема об изменении количества движения
материальной точки …………………………………………………123
7.4. Физика Саяно-Шушенской аварии…………………………129
7.5. Химия Саяно-Шушенской аварии………………………….132
ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………136
Приложение……………………………………………………………138

Скачать книгу Импульсная энергетика

Канарёв Ф.М. / Начала импульсной энергетики будущего www.micro-world.su Скачать доклад в формате .doc: НАЧАЛО ИМПУЛЬСНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ БУДУЩЕГО

Барыбин А. А. / Электродинамика волноведущих структур. Теория возбуждения и связи волн. Название: Электродинамика волноведущих структур. Теория возбуждения и связи волн. Автор: Барыбин А. А. Аннотация: На основе базовых

И.А.Квасников. / Введение в теорию электропроводности и сверхпроводимости Название: Введение в теорию электропроводности и сверхпроводимости Автор: И.А.Квасников. Аннотация:В книге в доступной форме изложены основы теории электронного газа

Квасников Иридий Александрович / Термодинамика и статистическая физика. Т.З: Теория неравновесных систем Название: Термодинамика и статистическая физика. Т.З: Теория неравновесных систем Автор: Квасников Иридий Александрович Аннотация: Книга представляет собой

Р. Фейнман, С. Вайнберг / Элементарные частицы и законы физики Название: Элементарные частицы и законы физики Автор: Р. Фейнман, С. Вайнберг Аннотация: Данная книга представляет собой перевод

Фролов А.В./ Физика. Новый взгляд Название: Физика. Новый взгляд Автор: Фролов А.В. Аннотация: В 2002 году мы занимались разработкой униполярных генераторов электроэнергии (варианты диска Фарадея), которые

Григорьев В.И. / Бароэлектрический эффект и электромагнитные поля планет Название: Бароэлектрический эффект и электромагнитные поля планет Автор: Григорьев В.И. Аннотация: На базе раз&итой авторами теории бароэлектрического эффекта — эффекта перераспределения зарядов

Взрывная электронная эмиссия

Мы публикуем текст доклада академика РАН, директора Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Геннадия Андреевича Месяца на тему «Взрывная электронная эмиссия: Порционная концепция электрической дуги» , с которым он выступил на Президиуме РАН 15 октября 2013 года.

В настоящее время во многих учебниках, научных книгах и энциклопедиях утверждается, что электрическая дуга – это один из стационарных электрических разрядов. Электрические дуги – явление очень распространённое. Мы говорим о дуге, которая горит сколько угодно долго при изначально холодных электродах. В этом явлении есть много фактов, которые очень трудно объяснить с точки зрения классической физики электрических разрядов.

Катодное падение низкое и находится на уровне первого потенциала ионизации паров катода. П оложительные ионы с катода движутся против электрического поля. Катод испускает струю плазмы с такой скоростью, как будто он нагрет до миллиона градусов, а реальная температура катодного пятна равна только нескольким тысячам градусов. Плазменный столб дугового разряда в магнитном поле движется в сторону обратную, чем предсказывает правило Ампера и т.д.

Физическое явление считается одним из нераскрытыхнаучных символов XX-го века. Над ним работали многие выдающиеся ученые: Комптон, Вуд, Штарк, Холл, Лэнгмюр, Фаулер, Милликен, Дайк, Оппенгеймер, Штенбек, Ромпе и др. Среди российских ученых следует назвать имена Арцимовича, Кесаева, Грановского, Елинсона, Мандельштама и др.

Первый ключ к разгадке этого явления был получен в 1966 г. благодаря открытию нами в Томском политехническом институте явления взрывной эмиссии электронов (далее – ВЭЭ). Это было сделано благодаря разработке техники мощных наносекундных импульсов.

На основе разработок и открытия была создана сильноточная наносекундная импульсная энергетика и электроника, оказавшая огромное влияние на создание техники мощных импульсных генераторов электрической энергии, ускорителей электронов, мощных газовых лазеров, сверхвысокочастотных устройств, импульсных рентгеновских устройств большой мощности и т.д. Используя высоковольтную наносекундную технику, было показано, что ВЭЭ является порционным процессом.

Опираясь на многолетние исследования ВЭЭ, нами была найдена аналогия с процессами в дуге. Было показано, что на катоде дуги происходят самоподдерживающиеся электрические взрывы струй жидкого металла из-за большой концентрации энергии в них. При каждом таком взрыве испускается порция плазмы, получившая название «эктон».

В одном эктоне, в среднем, содержится триллион электронов и сто миллиардов ионов. Зона, где разыгрывается это явление, имеет размер порядка микрон. При таком микроскопическом взрыве давление на катодное пятно превышает десять тысяч атмосфер. Плотность тока – сто миллионов ампер на квадратный сантиметр. Длится этот взрывной процесс примерно 10 наносекунд и далее постоянно возобновляется. Пространство, где образуется эктон, называется ячейкой. Процессы в ней обусловливают все свойства дуги.

Последние новые результаты в этой области были получены нами в конце прошлого года и в этом году. Во-первых, проведена работа по измерению зависимости скорости ионов в дуге от тока. Было показано, что одно-, двух-, трех- и четырехзарядные ионы меди, несмотря на разные заряды, движутся с одной и той же скоростью, а средний заряд ионов не зависит от тока. Во-вторых, пороговый ток дуги можно объяснить критерием брызгообразования в жидком металле из-за взаимодействия их с плазмой.

Таким образом, дуги горят не на твёрдом катоде, а на жидком. В-третьих, при очень большом увеличении в электронном микроскопе отдельных струй жидкого металла, мы обнаружили, что их средняя масса равна массе ионов в эктоне. Всё это стало окончательным доказательством того, что электрическая дуга – это процесс порционный, обусловленный взрывами струй жидкого металла.

Эта модель была предложена и разработана нами в ходе совместной многолетней работы Томского политехнического университета, а также Института сильноточной электроники СО РАН и Института электрофизики УрО РАН, которые были основаны мной в Томске и Екатеринбурге в 1970-х и 1980-х годах.

Явление электрической дуги широко известно. Это явление мы наблюдаем в обычных выключателях, резке, плавке и сварке металлов, в напылении, в электроискровой обработке металлов, в вакуумных выключателях и т.д. Оно было открыто ещё в 1802 г. русским ученым, профессором Медико-хирургической академии Санкт-Петербурга В.В. Петровым, который впоследствии стал академиком. Он испытывал вольтов столб, у него произошло короткое замыкание, он увидел мощную вспышку и описал ее в своей книге. Так как она была написана на русском языке, то об этом не знали в Европе. В 1808 г. англичанин Дэви также наблюдал это явление и опубликовал сообщение о нем.

Исследовать физику этого процесса начали более сто лет назад, в конце 90-ых гг. XIX века. Объяснения этого явления, которые приводятся во всех научных книгах такое: за счет автоэлектронной эмиссии происходит нагрев микроучастков катода, потом начинается испарение, ионизация этого пара, ионы пара идут на катод, усиливают электронную эмиссию, происходит процесс самоподдержания дуги. Таким образом, считалось, что дуга – процесс стационарный.

На этом слайде я показал компактные импульсные наносекундные генераторы, разработанные членами-корреспондентами РАН В.Г. Шпаком и М.И. Яландиным в Институте сильноточной электроники СО РАН и Институте электрофизики УрО РАН, которые до сих пор пользуются большим спросом, в частности, для исследования вакуумных и газовых разрядов.

Решить эту проблему оказалось возможным только разработав технику мощных наносекундных импульсов и методы сверхскоростной регистрации электрических и оптических процессов. Разработка наносекундной мощной импульсной техники позволила выяснить это. Фактически в этих установках были проведены основные эксперименты, которые привели к открытию порционности дуги.

Этот генератор позволяет получить более миллиона ампер электрического тока и первоначально использовался для нагрева мишеней и получения плотной горячей плазмы.

Это огромная установка на принципах наносекундной техники, сделанная в Томске академиком Б.М. Ковальчуком.

Это еще один наносекундный генератор с напряжением до миллиона вольт, с частотой следования импульсов до килогерц. Видна шестиметровая плазменная корона на проводе.

Это полупроводниковые SOS-диоды, которые работают на эффекте быстрого обрыва тока при плотностях до 10 4 ампер на квадратный сантиметр. При этих плотностях тока происходит резкий обрыв тока. Этот эффект был открыт доктором наук С.Н. Рукиным в Институте электрофизики УрО РАН. На этом была построена фактически целая индустрия полупроводниковых импульсивных генераторов большой мощности.

Взрывная электронная эмиссия позволила получать огромные электронные токи. Возникло совершенно новое направление в технике ускорителей электронов. Токи, которые получаем мы, например, в Томске, составляют многие миллионов ампер. Можно привести три важных примера приложения этих мощных пучков для получения мощных электромагнитных импульсов.

Во-первых, это мощная импульсная рентгеновская техника. Здесь на схеме показано как всё это происходит.

Это пример установки, которая была сделана в Институте сильноточной электроники. Здесь присутствует член-корреспондент Н.А. Ратахин, который является у нас главным специалистом в этом деле.

Для получения мощного СВЧ-излучения эти электронные пучки пропускают через резонатор. В 1973 году на ускорителях, которые были сделаны в Томске, в ФИАНе, был поставлен эксперимент с участием Института прикладной физики РАН. Было получено излучение 300 мегаватт. Это было выдающееся событие – 300 мегаватт в импульсе длительностью 50 наносекунд. Эта идеология получила очень широкое приложение. Эта идеология получила очень широкое приложение.

Это крупнейшая в мире импульснопериодическая установка «Синус-7» с импульсами СВЧ-излучения длительностью порядка 50 наносекунд, с мощностью в импульсе до 6 гигаватт.

Это самая мощная в мире установка – 5-10 10 Ватт. Она называется «Гамма». В свое время она наделала много шума, но, к сожалению, финансирование прекратилось.

Физические исследования этих СВЧ-генераторов проводятся также на настольных установках на базе «Радан», которые я показывал выше. Сейчас у проводятся и такие работы как гальваника на Урале.

Техника мощных наносекундных импульсов и взрывная эмиссия электронов оказали огромное влияние на развитие работ по мощным газовым лазерам. Я покажу только последнюю разработку ИСЭ и ФИАН – это комбинированный лазер, в котором электронный пучок до полмиллиона ампер цилиндрическим образом накачивает газовую смесь и получается 15 тераватт лазерной энергии в видимом диапазоне света при 50 фемтосекунд.

Здесь показано, как на базе наносекундной техники было открыто явление взрывной электронной эмиссии, которое было официально признано открытием. И открытием была признана закономерность протекания тока в газах высокого давления при интенсивной ионизации газа. Это, по существу, и послужило основой разработки мощных газовых лазеров.

С чего начинался у нас интерес к электрической дуге? Разрабатывая высоковольтную наносекундную технику в рамках моей докторской диссертации, возникла проблема вакуумного ключа. Нам нужно было быстро включать электрический ток. Но быстро не получилось.

Решая эту, абсолютно прикладную задачу, в 1965 году в Новосибирске, в Институте ядерной физике СО РАН, я и два моих аспиранта С.П. Бугаев и Д.И. Проскуровский провели эксперименты, чтобы понять, что происходит в вакууме между катодом и анодом, как ускорить процесс замыкания тока. Позже один из них стал академиком (С.П. Бугаев), а другой профессором (Д.И. Проскуровский).

Оказалось, что получить короткое время

10 -9 с включения тока в вакууме нельзя. Для ускорения включения нужно между катодом и анодом вставить диэлектрик. Однако само явление пробоя оказалось очень интересным.

Здесь показано нарастание тока в вакууме и представлены несколько фотографий свечения с экспозицией 3 наносекунды каждая. В начале там нет плазмы. Это время называется пробоем, то есть подготовкой. Потом на катоде появляется плазма, которая двигается в сторону анода со скоростью 10 6 см/с. Через некоторое время она появляется и на аноде, и происходит замыкание промежутка.

Показаны, по существу, три фазы электрического разряда в вакууме. Первая — пробой, вторая — искра, и окончательная — дуга. В стадии искры и происходит взрывная электронная эмиссия, т.к. в этой стадии между катодной плазмой и анодом течет ток, который оказался электронным .

Вывод из этого следовал такой. На поверхности катода имеются микронеоднородности. За счет тока автоэлектронной эмиссии они взрываются, и на катоде образуется плазма. Между катодной плазмой и анодом протекает электронный ток. Таким образом, была открыта взрывная электронная эмиссия, которая в дальнейшем сыграла огромную роль в становлении того, что мы называем сильноточной электроникой.

На очищенных электродах видны микровыступы, на кончиках которых электрическое поле может усиливаться до сотни раз.

Здесь показаны коэффициенты усиления поля на микроостриях в зависимости от геометрии. Фактически они могут быть стократные и более.

Здесь показан взрыв специально подготовленного острия, а также появление плазмы на нем и тока ВЭЭ. Показана формула Фаулера-Нордгейма, из которой следует, что при больших электрических полях F =10 8 вольт на сантиметр, ток может достигать 10 9 ампер на квадратный сантиметр. Такие условия приводят к взрыву острий на катоде за время

Здесь показана зависимость времени задержки взрыва острия t от электрического поля Е (кривая 1) и плотности тока j (кривая 2).

Как возникает взрывная электронная эмиссия? В стадии пробоя течет ток автоэлектронной эмиссии.

Затем начинается взрывная электронная эмиссия из-за большого усиления поля на микронеоднородностях. Возникают электрические взрывы металла за счет колоссальной плотности тока на остриях.

Плотность энергии по оценкам скорости ионов, которые оттуда идут, составляет примерно до 10 5 джоулей в грамме.

На этой фотографии показан рост свечения на катоде (а) и на аноде (б) со временем.

В рамках джоулевой модели нагрева катода ток электронов взрывной эмиссии прекращается из-за охлаждения зоны эмиссии за счет теплопроводности.

Ток взрывной эмиссии течет в виде порций – эктонов. Доказывается это так. Если в центре анода сделать отверстие, то видно, что электронный ток из нее течет отдельными порциями. Этот факт натолкнул нас на мысль, что реально рост тока в искре носит циклический характер и что именно такая же цикличность может быть в электрической дуге. Когда мы стали сравнивать свойства плазмы при ВЭЭ со свойствами плазмы в дуге, то оказалось, что они очень близки. Речь идет о скорости движения плазмы, удельном уносе массы с катода, плотности тока, пороговом токе, составе плазмы и т.д.

Стали внимательно выяснять, что происходит на катоде. На катоде происходит обычный взрыв, примерно такой, как мы видим на поверхности Земли, Луны или Марса из-за падения на них метеоритов. Но все это микронные размеры.

Здесь видны кратеры от взрывов на катоде, струи металла и капли. Это кратеры на плоском катоде при различных длительностях взаимодействующего импульса напряжения.

Это типичный кратер, полученный при длительности импульса тока 10 нс, микронный размер, где мы видим струю металла, которая застыла. А это капля, которая от нее оторвалась. То есть, это цикл, где четко показано, что это взрыв, что существуют струи жидкого металла и летят капли.

Все это навело на нас на мысль о том, что электрическая дуга и все непонятные явления, которые, на первый взгляд, противоречат современной физике, можно объяснить, если считать, что в электрической дуге происходят постоянные взрывы, погасание этих взрывов, а дальше предыдущий взрыв оказывает такое влияние на рядом стоящие струи металла, что они взрываются тоже. Физика таких взрывов частично известна из исследований электрического взрыва проводников.

Условия эксперимента очень важны, потому что вакуум должен быть 10 -8 мм ртутного столба, ток – меньше 100 ампер, параметры электрических цепей L и С должны быть такие, чтобы не влияли на временной процесс. Цикл, в течение которого происходит взрыв, равен примерно 10 -8 секунд. Должна быть очень глубокая очистка поверхности катода.

Здесь показано распределение потенциала между катодом и анодом в электрической дуге и анодной зоне. У анода наибольшее падение потенциала. Один из самых непонятных эффектов – то, что катодное падение имеет очень низкое значение и величину порядка первого потенциала ионизации атомов катода, то есть порядка 10 вольт, в то время как в газе это падение – 100-200 вольт.

В 1930-ых гг. выдающийся физики Комптон, который занимался этой проблемой, дал такое определение электрической дуги. Он сказал, что дуга – это разряд, при котором наблюдается очень низкое катодное падение потенциала, сравнимое с потенциалом ионизации атомов металла катода.

Видно, как при горении дуги разлетаются нагретые капли металла. Эта фотография была сделана обычным фотоаппаратом.

Здесь показаны кратеры на катоде при наличии диэлектрических загрязнений на его поверхности. Видно, что если катод загрязнен, образуется очень много кратеров. Поэтому физику дуги с таким катодом изучить нельзя.

При чистом катоде и условиях, о которых я говорил выше, кратеры выстраиваются по-другому. Они возникают на местах, где дуга уже горела.

Как видно, образуется очень много ячеек. Они привязаны друг к другу. Это значит, что одна ячейка образуется на том месте, где образовались струи жидкого металла от предыдущей ячейки.

Эти фотографии получены недавно. Мы тщательно рассмотрели и статистически обработали эти струи. Оказалось, что одна струя имеет примерно ту же массу, что ионы в эктоне, которые покидают эту ячейку за одним цикл. Это доказывает, что ионный ток образуется за счет электрического взрыва этих струй. Эти струи были получены в дуге с вольфрамовыми электродами.

Здесь видны струи и капля вольфрама, которая не успела оторваться от струи. Долго шел спор, почему происходит самоподдержание дугового процесса, отчего происходят новые взрывы.

Для термоэмиссий не хватает температуры. Автоэлектронной эмиссией –тоже трудно объяснить, так как мало электрическое поле , всего 10 5 вольт/см, а нужно 10 8 .

Возможно, что в узком перешейке при отрыве капли весь ток проходит через перешеек капля-струя и взрывается. В этом перешейке будет очень высокая плотность тока (

10 9 А/см 2 ) . Это подтверждает мою идею о том, что для того, чтобы произошло самоподдержание дуги и появился новый электрический взрыв, не обязательно наличие большого электрического поля. Это может произойти от взрыва перешейка.

Это катодные пятна дуги на катоде. В качестве катода используется медная проволока, на которой течет ток. За счет магнитного поля тока в проводнике, пятно движется против направления Ампера . Это еще одно противоречие, которое никто не мог объяснить, почему здесь не работает обычная электродинамика.

Это видно внизу. Для дуги это примерно 15 вольт.

Здесь показано, как на катодном падении потенциала возникают колебания. Эти колебания возникают от того, что в каждой ячейке, когда происходит взрыв и образуется неидеальная плазма, падение потенциала на этой неидеальной плазме дает, так называемое, катодное падение. Но как только этот взрыв прекращаетс я, то, как и при всяком обрыве тока в электрической цепи, потенциал подскакивает.

Цикл имеет две части – электронную, когда работает ВЭЭ, и ионную, когда электронная эмиссия прекращается и готовится новый микровзрыв . Короче говоря, мы имеем цикл. Мы имеем ячейку, в которой происходят циклические процессы.

Б ыло сделано очень много исследований, связанных с математическим моделированием. В одной этой маленькой ячейке микронного размера происходит электрический взрыв. Образуется плазма. Сразу несколько состояний вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Эта область научных интересов академика В.Е. Фортова, совместно с которым у нас было выполнен ряд работ.

Здесь одновременно работает несколько физических процессов: эмиссионная электроника, физика плазмы, гидродинамика, физика взрыва и т.д. Это исключительно сложный процесс в металле в объемах микронных размеров. Выводы, к которым мы пришли, состоят в том, что вся физика катодного пятна находится и делается в одной ячейке и проходит за один цикл. В этой ячейке происходит взрыв. Из нее испускаются ионы, которые со скоростью 10 6 см в секунду летят в сторону анода.

Там же заложена возможность погасания дуги, потому что, как я говорил, в цикле имеется две части: одна – когда идет взрыв, другая – когда взрыв прекращается, и напряжение на катодной зоне резко увеличивается. Однако предыдущий взрыв должен создать возможность для следующего. Вот так и происходит самоподдержание электрической дуги.

Не продолжая дальше, я покажу, как мы на основании наших экспериментов и экспериментов других ученых расшифровали параметры эктонного цикла и параметров процессов в ячейке на медном катоде при тех условиях эксперимента, о которых я говорил выше .

Вот некоторые параметры эктонного цикла в ячейке:

Ток ячейки iя = 3.2 А

Плотность тока в ячейке

Длительность цикла в ячейке

Электронная доля цикла

Ионная доля цикла

Зарядность ионов: +1 (16%); +2 (63%); +3 (20%); +4 (1%)

Средний заряд ионов 2.1

Среднее число ионов с таким зарядом

Удельная масса ионов

Скорость ионов не зависит от их заряда и составляет 1.3 . 10 6 см/с

Давление плазмы на катод в зоне ячейки

Для оценки этих параметров мы использовали как экспериментальные результаты наших институтов ИСЭ СО РАН и ИЭФ УрО РАН, так и некоторые данные других ученых: Даалдера (Голландия), Кимблина (США), Ютнера (ФРГ), Кесаева (СССР), Танберга (США).

Для достижения поставленной цели мы использовали все лучшие приборы, которые в то время существовали в мире. Эксперименты проводились не только в России, но и в Великобритании, Германии, США, Франции и Японии. Это позволило нам провести идентификацию процессов в ячейке. Ячейка – это некий ген электрической дуги, от которого зависят все ее свойства.

Таким образом, мы доказали, что дуга – это не стационарный процесс, а порционный , и что происходит он на жидком металле . П одтверждением этому служат также три линейных закона вакуумной дуги, которые не нашли однозначного подтверждения в существующих теориях.

Т анбергом (1930) было показано, что в процессе функционирования дуги на катод действует сила пропорциональная току дуги, т.е. F = K T . i.

Кимблин (1971) показал, что ток ионов в дуге определяется зависимостью i i = K K . i.

Даалдер (1976) показал, что энергия, которая не передается катоду при фиксированном времени функционирования дуги t составляет W = K D . i .

Здесь K T , K K и K D – коэффициенты Танберга, Кимблина и Даалдера.

Эти три линейные зависимости величин F , i i и W от тока i очень просто объединяются в рамках порционной модели дуги, т.к. ток дуги растет пропорционально числу ячеек на катоде и эктонов, которые они испускают.

Кроме того, что взрывная электронная эмиссия объясняет вакуумный разряд в целом (пробой, искра, дуга), она еще является вторичным процессом во многих разрядах наравне с автоэлектронной, термоэлектронной, электронно-ионной, фотоэлектронной эмиссиями, которые широко используются в физике плазмы и электрических разрядов. В частности, она имеет место в электрических разрядах в газах в правой и левой ветвях Пашена, при переходе тлеющего разряда в дуговой, в униполярных дугах, и электрических контактах в газах при высоких электрических полях.

А сейчас я дам перечень некоторых книг, которые были написаны мной лично и совместно с моими коллегами. Всего их 22, а здесь только те, которые имеют отношение к теме.

Г.А. Воробьев, Г.А. Месяц. Техника формирования высоковольтных наносекундных импульсов. Госиздат, 1963.

Г.А. Месяц, Д.И. Проскуровский. Импульсный электрический разряд в вакууме. Наука, 1976.

Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц. Автоэлектронные и взрывные процессы в газовом разряде. Наука, 1973.

Г.А. Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. Советское радио, 1974.

Г.А. Месяц. Эктоны (в трех томах). Екатеринбург, 1993.

Г.А. Месяц. Импульсная энергетика и электроника. Наука, 2004.

Г.А. Месяц. Эктоны в вакуумном разряде. Наука, 2000.

Г.А. Месяц. Взрывная электронная эмиссия. Физматлит, 2011.

Пять из этих книг и ряд других переведены на английский и китайский языки. Кроме того, мы с профессором И.В. Пегелем написали учебник «Введение в наносекундную импульсную энергетику и электронику». Он используется на наших кафедрах «Физика плазмы» в Томском университете, кафедре «Сильноточная электроника» в Томском политехническом университете, кафедре «Электрофизика» в Уральском политехническом университете, а также на кафедре «Электрофизика» в МФТИ.

Спасибо за внимание!

Вопросы к докладу на Президиуме РАН

В.В. Костюк: Спасибо, Геннадий Андреевич. Пожалуйста, вопросы.

А.Н. Лагарьков: Геннадий Андреевич, очень красивые картинки, когда разбрыгиваются капли. Там есть перетяжка, где плотность тока достигает огромных значений. С Вашей точки зрения, подтверждается квазинейтральность капли, которая открывается?

Г.А. Месяц: Капли мы изучали еще при исследовании взрывной эмиссии. Капли нейтральные, капли не заряженные. У нас нет сведений, что капли были заряженные, улетая с катода. Они заряжаются в столбе, когда проходят плазму. Некоторые из них превращаются в плазму. Их даже назвали «капельные катодные пятна».

А.Н. Лагарьков: Еще один вопрос. Геннадий Андреевич, что касается устройств для генерации электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне, это одноразовые или многоразовые импульсы?

Г.А. Месяц: Изначально, когда мы в 1967 г. сделали первый в Советском Союзе ускоритель электронов, то он был частотный, а в США были разовые импульсы. Сейчас есть генераторы, которые позволяют иметь частоту следования импульсов килогерцы. Они работают с использованием полупроводниковых SOS-диодов. Если на газовых коммутаторах, то имеем порядка 100 герц. Те машины, которые я показывал, – 100-герцовые машины, которые использовались для разработки локаторов. Мощности СВЧ-импульсов большие. На машине «Синус-7» с частотой 100 герц, это в среднем 10 9 – 10 10 Ватт.

В этом докладе даны результаты трех работ, выполненных недавно, в течение последнего года. Сами понимаете, какое это было время. Первое, мы показали, что средний заряд ионов не меняется с ростом тока. Второе, что мы доказали, что ионы идут от взрыва струи. Третье. Мы показали, что дуга это не процесс на твердом катоде. Дуга – это процесс на жидком катоде, потому что пороговый ток мы наши из условий брызгообразования жидкого металла.

Почему ни у кого ничего не получалось? Все работали в классическом стиле: термоэмиссия, автоэмиссия, испарение твердого тела А там нет твердого тела, там жидкое тело, жидкий металл.

Е.Н. Каблов: Геннадий Андреевич, спасибо за очень интересное сообщение. У меня следующий вопрос. Если нам необходимо переместить определенный химический состав на поверхность металла в достаточно сложных условиях, все эти закономерности, о которых Вы рассказывали, применимы к катоду, который по химическому составу будет отличаться? Например, не медный катод, а сплав.

Г.А. Месяц: Конечно будет! Это же взрыв при большой плотности энергии. При удельной энергии взрыва 10 5 джоулей в грамме металла не только испаряется, но и ионизируется, т.к. в ячейке будут гигантское давление и огромные температуры.

Всё это дело используется активнейшим образом для нанесения покрытий. Это называется имплатационная металлургия. Ионы, о которых я говорил, имеют до 100 энергию 50 – 100 электронвольт. Если вы поставите сплав, какие-то химические элементы, они безусловно, попадая в ячейку, создают плазму.

Все, что вы говорите, возможно. Весь мир сейчас делает плазменные покрытия с использованием электрических дуг, но никто не понимал, откуда берется ионы.

Е.Н. Каблов: Большая благодарность Вам, Вашим ученикам, Вашему институту, потому что ваши работы позволили нам создать установку МАХ-1, МАХ-3, где реализован этот принцип. Мы получили самые современные технологии и результаты, которые в мире никто не смог получить.

Второй вопрос. В зависимости от энергии поток ионов может и травить поверхность, и очищать поверхность, и может обеспечивать на поверхности получение того типа, который нужен материаловедам?

Г.А. Месяц: Совершенно верно. Еще одна вещь: для фирмы Philips мы в свое время усовершенствовали катод рентгеновского аппарата, так как время от времени аппарат почему-то срабатывал.

Мы считали, что у них на катоде есть загрязнение или микронеоднородности. В свое Ещё в советское время мы обнаружили т.н. эффект электрополировки : если подаешь импульс существенно короче, чем длительность цикла в ячейке , т.е. 10 -9 с, то в ячейке жидких струй не возникает, и мы получаем абсолютно гладкую поверхность.

Е.Н. Каблов: И последний вопрос. Для нас нежелательно, чтобы капля образовывалась. Нам надо обеспечить равномерное, спокойное распределение ионов, чтобы этот поток ионов попадал без капель.

Г.А. Месяц: Там следующая ситуация. Это все делается просто. Ионы выводятся в изогнутую трубу, и ставится магнитное поле. Магнитное поле ионы проводят, а капля упирается в стенку. Эта методика хорошо отработана.

Е.Н. Каблов: Геннадий Андреевич, у меня есть предложение. Мы сейчас будем делать новое топливо. Хотелось бы объединить усилия.

Г.А. Месяц: У нас сейчас такая жизнь, что готовы взяться за любую работу, чтобы сохранить эти выдающиеся коллективы, которые мы создали в Сибири, на Урале и в Москве. Тем более, если эта работа в русле наших научных интересов.

В.В. Костюк: Спасибо, Евгений Николаевич! Есть ли еще вопросы? Больше вопросов нет. Спасибо, Геннадий Андреевич!

Обсуждение доклада

В.В. Костюк: Уважаемые коллеги, есть список выступающих. Чтобы мы их заслушали, прошу соблюдать регламент — 5 минут.

Первым выступает Баренгольц Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, Институт общей физики им. А.М. Прохорова

С.А. Баренгольц: Глубокоуважаемые коллеги! Я хочу несколько слов сказать о лаборатории электрофизических исследований Института общей физики. Она была создана по инициативе Г.А. Месяца при поддержке Александра Михайловича Прохорова в 1998 году. С 2005 года я ее возглавляю.

Основное направление работ этой лаборатории – создание полномасштабной математической модели ячейки катодного пятна вакуумного разряда, о чем говорил Геннадий Андреевич. Процессы в катодном пятне происходят за время порядка десятков наносекунд, причем пространственный масштаб этих процессов – микронный. При этом пятно движется на поверхности катода со скоростью до километра в секунду.

Об основных результатах, полученных в результате математического моделирования, Геннадий Андреевич уже рассказал. Я хотел бы несколько слов сказать о применении этой модели.

Первое применение, и Геннадий Андреевич уже пару слов сказал, это униполярные дуги. Это дуги, которые возникают при контакте металлической пластины с плазмой. Если температура плазмы достаточно высокая, то зажигается дуговой разряд. Это явление, прежде всего, характерно для установок с термоядерным удержанием.

Сейчас ведутся совместные исследования с японскими учеными из университета города Нагоя, где они имеют доступ ко всем крупным термоядерным установкам Японии. Мы показали, что в основе процессов униполярной дуги лежат именно эктонные процессы.

Цель этих совместных работ – Philips исследование механизмов возникновения униполярных дуг и разработка по возможности процессов подавления их, поскольку они являются крайне нежелательным процессом для термоядерных установок, т.к. охлаждают основную плазму.

Другое направление – по заказу «Росатома» проходят исследований нейтронных дуговых искр трубок.

Дело в том, что эти нейтронные источники выпускаются с середины 50-х годов в неизменном виде. И причина того, что только сейчас можно перейти к созданию полномасштабных моделей работы этих трубок такова, что процессы были не известны. Благодаря исследованиям электродных процессов стало возможным создание сквозной модели этой трубки и выработать рекомендации для повышения ресурсных характеристик и собственно выхода нейтронов.

Третье направление, которым занимается лаборатория, – это разработка коллективных методов ускорения ионов.

Суть коллективных методов ускорения ионов состоит в том, что ионы ускоряются не симметрическим полем, а полем, возникающим в результате разделения зарядов, то есть электронов и ионов. Хорошо известно, что это разделение даже на микроскопическом уровне приводит к появлению гигантских электрических полей, которые можно использовать для коллективного ускорения.

Нами предложен метод коллективного ускорения с использованием разработанных в Томске и на Урале пикосекундных электронных пучков. Это установки типа «Радан», которые Геннадий Андреевич показывал. Этот метод запатентован. Эти работы позволяют нам двигаться вперед.

Многие результаты, о которых говорил Геннадий Андреевич, были получены, благодаря финансированию со стороны программ фундаментальных исследований Президиума Академии наук.

Понятно, что та техника, о которой говорил Геннадий Андреевич, диагностическая аппаратура стоит больших денег, и никакие гранты РФФИ в этом не помогут. Поэтому очень не хотелось бы, чтобы в результате этой реформы РАН мы потеряли бы эти программы, которые действительно позволяют нам двигаться вперед.

Спасибо за внимание.

В.В. Костюк: Спасибо, Сергей Александрович! Слово предоставляется члену-корреспонденту Иванову Виктору Владимировичу.

В.В. Иванов: Добрый день, уважаемые коллеги! Я выступаю, как представитель Института электрофизики Екатеринбурга. Я проработал там более двадцати лет. В настоящее время являюсь деканом факультета физической квантовой электроники Московского физико-технического института. Мне ближе разные технологические приложения тех эффектов, о которых сейчас замечательно рассказал Геннадий Андреевич.

Физические основы разрядов и разрядных процессов между электродами явились основой создания не только многообразных устройств для генерирования лазерного излучения, для генерирования электронных потоков, для создания вакуумных устройств, дуговых размыкателей и т.д., но в настоящее время они активно развиваются для технологических аспектов, для получения наночастиц.

Пятьдесят лет назад, когда начались эти работы, еще не было достаточно сильных инструментов для изучения наночастиц улавливаемых и, тем более, наночастиц в потоках.

Развитие электронной микроскопии позволило начать рассматривать эти частицы сорок-тридцать лет назад. А несколько лет назад были созданы измерительные инструменты, которые позволяют контролировать размеры и концентрации наночастиц именно в потоках и ловить эти частицы непосредственно в близости от места их происхождения.

Мы создали совместную научную группу, в которую входят исследователи из Института электрофизики УрО РАН и Московского Физтеха. И в настоящее время активно занимаемся изучением этого процесса.

Сначала мы озадачились и понимали, как исследователи, которые создают мощное импульсное устройство, где используются многозазорные разрядники, коммутирующие большие токи, как они избавляются от запыленности изоляторов. Изоляторы периодически необходимо очищать: между разрядами в электродами возникает проводящая пыль. Она запыляет разрядники, запыляет изоляторы. Обычно используется прокачка мощными газовыми потоками для того, чтобы изоляторы очистить.

Частицы, возникающие в разрядных промежутках, – на пользу, то есть, получая таким образомнаночастицы, накапливать их в нанопорошки; накапливая в жидкости, получать наносуспензии, нанодисперсии.

Суть начатого исследования состоит в том, что после первых исследований структуры получаемых частиц в разрядных промежутках было выяснено, что первичные частицы имеют очень маленькие размеры. Частицы, которые излучаются, вылетают из катода и анода, имеют размеры единицы нанометров.

В процессе движения они могут коагулировать, агломерировать, укрупняться, и важно изучить их в процессе непосредственно получения и важно их сохранить.

Параллельно с нашими работами в мире идет очень серьезное состязание для практического использования этого эффекта получения частиц на электродах с целью разработки высокоинтенсивных методов наработки нанопорошков очень мелких размеров, которые являются серьезной проблемой, это размеры от 2-3 нм до 20 нм.

Эти исследования ведутся во многих индустриально развитых странах. В частности, в Европейском союзе создан большой проект под амбициозным названием «Бонапарт-Е».В проект включены более двух десятков организаций, которые ставят своей целью в подобного рода устройствах создавать машины для генерирования нанопорошков производительностью десятки кг/час, с размером до 20 нм.

Причем, метод является уникальным в том отношении, что он позволяет получать не только частицы металлов, не только частицы оксидов. То есть, если металлическая частица транспортируется, в окислительной среде она превращается в оксидную частицу, но появляется возможность благодаря большому сечению электродов получать частицы из легированных полупроводников.

Это очень интересно, поскольку есть возможность таким методом целенаправленного транспортирования этих частиц формировать электронные структуры – полупроводниковые, проводящие, диэлектрические.

Свое выступление я хотел бы закончить тем, что обратить внимание на то, что этот доклад приложим к нанотехнологиям, к созданию наночастиц, формированию потоков наночастиц в настоящее время в мире очень бурно развивается, и важно объединять усилия и двигаться в направлении активного применения этого эффекта. Спасибо большое, Геннадий Андреевич.

В.В. Костюк: Спасибо.Следующий выступающий – член-корреспондент РАН Н.А. Ратахин.

Н.А. Ратахин: Уважаемые коллеги! Я хотел бы сказать о следующем. Я являюсь директором Института сильноточной электроники СО РАН, о котором говорил который был создан Геннадием Андреевичем в Томске в 1976 году.

Десять лет он был его директором и до сих пор остается приверженцем этих исследований – именно диодов и плазмы в них при электродных процессах, – а также был инициатором создания в Томске мощных наносекундных генераторов, которые использовались для различных целей. Прошло столько времени (он называл 60-ые гг., а уехал на Урал в 1986 г. из Томска), но все это имеет продолжение.

Я хочу просто перечислить некоторые вещи. У нас в Институте самые мощные в России и в мире источники жесткого, сверхжесткого и гамма-излучения. Мы участвуем в работах, помогая коллегам из Росатома. В частности, в Арзамасе они собираются строить ускоритель электронов на 15-16 мегаампер в электронном пучке. Мы помогали с выходными устройствами, с транспортом энергии, доводки до электронного пучка.

Теперь о Z-пинчовой программе, в которой мы принимаем участие. Этот проект до сих пор серьезно рассматривается как импульсный терминал с учетом того, что в Ливерморе, как известно, не совсем успешно происходит работа на лазерной термоядерной программе. Программа Z-пинчей, видимо, будет реанимироваться. Сейчас в этом направлении в Америке идет движение.

Я не говорю о том, что выросла на идеях Геннадия Андреевича и развивалась его учениками поставка ускорителей, разного типа установок в Россию и за рубеж. Мы поставили порядка сотни различных устройств, которые инициированы идеями Геннадия Андреевича.

И последнее по Z-пинчам. Наше место – не термояд, а мягкие рентгеновские источники, которые являются самыми большими после Сандии – крупнейшей лаборатории США, работающей в этом направлении. Но вместе с тем, мягкие рентгеновские источники у нас самые большие по выходу излучения.

Об эффективности Z-пинчей. Мы оптимизировали ряд систем, стабилизировали лайнеры, первыми предложили 2-3-лайнеровые системы для стабилизации, для получения высоких параметров. И здесь выход разных участков спектра, которые получены в наших институтах, самый эффективный.

В частности, мы первыми получили умощнение. У вас есть генератор электрической энергии с мощностью 1 терраватт, в котором в мягком рентгеновском излучении мы получаем больше, чем 1 терраватт и за счет компрессии и за счет укорочения импульса, но КПД очень высокий.

И последнее. В последнее время с чешскими коллегами мы начали более детально исследовать получение нейтронов на таких системах. Казалось бы, Z-пинчи 50-х годов давали определенные перспективы, и был ажиотаж по поводу близости УТС на этих системах, но после модификации создания таких изощренных систем, как плазменный фокус, всё уперлось в некую цифру, что термоядерный скейлинг не продолжался по нейтронам.

В последние полтора года нам удалось вернуть скейлинг, и получить 4*10 12 нейтронов за импульс на машине 2,8 мегаампер с микросекундной длительностью.

На сандийских установках, на «Сатурне» при 7-8 мегаамперах при 100-нановом импульсе было получено 4*10 13 .

Спасибо за внимание. А Геннадию Андреевичу спасибо особое, потому что он у нас, во-первых, научный руководитель. Во-вторых, мы стоим на позициях, которые он развивал ранее, и сами что-то делаем. И спасибо за то, что он нас часто посещает.

В.В. Костюк: Спасибо. Слово имеет член-корреспондент Валерий Григорьевич Шпак.

В.Г. Шпак: Институт электрофизики Екатеринбурга, директором которого я являюсь, основан двадцать семь лет назад Геннадием Андреевичем Месяцем. Он взял эстафету всех этих работ, о которых тут говорилось.

За последние годы эти работы выросли в новые направления. Тут коллеги упоминали о нанотехнологиях, я добавлю – водородную энергетику. Наверное, это один из немногих, а, может быть, единственный в России институт, где есть полный цикл нанотехнологии – от получения порошка до изготовления готовых изделий или работающих элементов водородной энергетики, вплоть до двигателей малой тяги ракет – это двигатели будущего.

Я хотел бы остановиться на том, о чем не упоминали и чем мы гордимся. Мы гордимся тем, что показали, что на малогабаритной сильноточной наносекундной аппаратуре, которую мы создали, можно делать очень серьезные работы. А преимущество малогабаритной аппаратуры в том, что она работает от розетки, не требует специальных помещений, и небольшие группы могут делать очень серьезные работы. К сожалению, почему-то это не поняли за рубежом. И в 90-ые и 2000-ые годы мы обеспечили этой аппаратурой многие научные центры мира.

Четырнадцать стран используют эту высоковольтную аппаратуру и нашу измерительную технику. То есть наплодили мы себе конкурентов, и приходится нам держать дистанцию, бежать впереди, чтобы они нас на нашей же технике не обогнали.

В чем наша фора состоит? Она состоит в том, что для исследования таких процессов нужны генераторы, специалисты и измерительная аппаратура.

Чем интересны эти исследования? Как все вещества состоят из атомов и молекул, так и все процессы состоят из мгновений (грубо говоря). Поэтому, если оптики сейчас штурмуют уже фемтосекундные диапазоны, электрики пока дошли только до пикосекундного. Дело в том, что измерительная аппаратура пока не позволяет разрешать на единицах пикосекунд(в лучшем случае десятки). Это ведущие американские фирмы, которые делают сверхскоростные осциллографы.

Мы с ними работаем и довольно успешно. Они нас давно заметили, поскольку наша аппаратура работает в разных странах. Ежегодно они устраивают презентацию в нашем институте. Для нас самое ценное, что они временно оставляют нам для тестирования свои самые последние образцы скоростных осциллографов бесплатно. То есть наш отзыв для них очень ценный, отзыв практиков. Они не боятся давать осциллографы, которые измеряют максимум 5 вольт тем, кто измеряет процессы с напряжением амплитуды 200 тысяч вольт. Ни один прибор мы им не повредили.

При длительности импульса 5 наносекунд и менее, вся изоляция – и твердая, и жидкая, и газообразная начинает менять свойства – резко растет ее электрическая прочность. Это явление пока не очень хорошо объяснено, но мы его широко используем. Субнаносекундные и пикосекундные генераторы нашего института эффективно используются для таких интересных исследований.

Собственно говоря, эта малогабаритная аппаратура постоянно развивается, и даже небольшая группа может делать серьезные работы. В качестве примера можно назвать электромагнитную СВЧ-установку, которая размещается на столе с импульсом мощности гиговатт. На двух столах размещаются коллайдер, где встречается мощный электронный пучок и мощный импульс электромагнитного излучения и получаются очень интересные эффекты.

В этих генераторах важно не только получить короткий импульс, но их еще нужно синхронизировать. Фактически начало этим работам было положено в Томске. Они всегда вызывали интерес у Геннадия Андреевича, который дал нам много идей в этом направлении, и поддерживались им. Итоги публикуются в различных зарубежных журналах. Но, к сожалению, финансирование – как везде финансирование. Спасибо за внимание.

В.В. Костюк: Спасибо, Валерий Григорьевич. Выступает академик Валерий Николаевич Чарушин.

В.Н. Чарушин: Уважаемые коллеги! Мне кажется, что даже не специалистам ясно, что мы с вами прослушали доклад очень высокого научного уровня. И не покидает ощущение, что этот доклад сегодня прозвучал в этих стенах, как в свое время симфония Шостаковича в осажденном Ленинграде.

Мы действительно находимся в сложном положении – Академия наук фактически находится в состоянии информационного и другого противостояния. И возникает вопрос – нужно ли сегодня слушать на Президиуме вообще научные доклады?


Мне кажется, что такие доклады важны. Они должны демонстрировать несгибаемый дух Академии и выбивать почву всех оппонентов, которые говорят о том, что не эффективна форма управления наукой, которая сложилась в Академии, не современна, архаична и т.д.

Мы сегодня прослушали доклад, который убедительно показывает и мировой уровень исследований, и все возможные формы научного сотрудничества, которые только можно представить. Здесь и сотрудничество между академическими институтами разных регионов. Кстати, этот доклад показывает, что высокие научные результаты могут рождаться не только в Москве, но и в самых отдаленных местах Сибири и Урала.

Этот доклад показывает, что у Академии сложились очень прочные связи с вузами и в Томске, на Урале, и в Москве. Здесь уже говорилось о том, что уральский Институт электрофизики является фактически ровесником Уральского отделения. В прошлом году мы отмечали 25-летний юбилей.

На протяжении всех лет каждый год, когда мы подводим научные итоги, то достижения Института электрофизики обязательно звучат. Они звучат каждый год как рекордные характеристики. Каждый год какие-то новые рекорды: то рекорд по мощности, то рекорд по когерентности, то рекорд по длительности пучков и т.д.

Причем, это пример очень гармоничного сочетания академической науки и прикладной. Например, есть завод гражданской авиации в Екатеринбурге, который использует достижения фундаментальных исследований Института электрофизики. И не только этот завод. На Урале мы знаем много предприятий, которые реализуют достижения.

Мне кажется, что Геннадий Андреевич сегодня убедительно продемонстрировал, что та форма организации наука, которая у нас сформировалась, жизнеспособна.

И, конечно, наша задача – сохранить ее хотя бы в тех формах, которые позволительно в рамках проекта реформированной Академии, то есть сохранить программы Президиума, сохранить координацию работ по важнейшим направлениям. Я думаю, что все это понимают.

Я еще раз хотел бы поблагодарить Геннадия Андреевича за то, что в это время он вышел на трибуну с научным докладом. Спасибо.

В.В. Костюк: Спасибо, Валерий Николаевич. Слово имеет Н.Ф. Ковалев, доктор физико-математических наук, Институт прикладной физики.

Н.Ф. Ковалев: Глубокоуважаемые члены Президиума! Мне тоже хотелось бы добавить несколько слов и цифр к докладу Геннадия Андреевича.

Прежде всего, я обязан сказать, что идеи использования взрывэмиссионных электронных пучков для генерации сверхмощного электромагнитного излучения сантиметрового диапазона и даже миллиметрового диапазона длин волн вполне себя оправдала, и уже сформировалось самостоятельное направление со своими специфическими задачами и методами.

Сейчас с высокой степенью надежности получают импульсную высокочастотную мощность порядка 1-2 гигаВатт, длительностью импульса 20-30 нс. Частота следования импульсов уже достигла 300-500 герц, длительность- 2-3 нс, с КПД более 30 процентов во всем сантиметровом и частично миллиметровом диапазоне длин волн.

Уместно напомнить, что в начальном периоде становления этого направления было множество причин, которые пугали исследователей. Им необычно было все: огромный релятивизм, малая длительность импульса тока, огромная мощность электронных пучков, отсутствие надежной диагностики и т.д.

Все эти проблемы в той или иной степени полноты были решены и экспериментально апробированы.

В тот же период становления были проделаны яркие, впечатляющие эксперименты по тем или иным параметрам, существенно превышающим показатели, о которых я только что сказал.

Эти эксперименты имеют очень важную нагрузку. Они являются ориентиром дальнейших исследований и наглядно демонстрируют практически неисчерпаемые возможности этого интересного, перспективного и важного направления науки.

Новые уникальные генераторы прошли практическую проверку. На их основе был создан целый ряд физических макетов, в том числе мобильных наносекундных радаров и систем радиоподавления. На этих макетах было получено множество интересных и уникальных результатов.

В частности, было показано, что гигаВаттные наносекундные радары могут эффективно обнаружить малоразмерные летящие объекты. То есть, с их помощью возможно устранение слабых мест в системе обычных радаров. Весьма важное и весьма перспективное свойство!

Основными направлениями, решаемыми в настоящее время, являются:

— увеличение длительности импульс генерации и, соответственно, увеличение энергетического КПД;

— исследование процессов конкуренции в селекции мод;

— обеспечение перечня когерентности;

— исследование режима диссоциарной генерации;

— исследование процессов фазировки внешними сигналами и взаимной фазировки нескольких генераторов и т.д.

— исследование ресурсных возможностей.

Несмотря на потребительскую направленность перечисленных мною проблем, кроме инженерных, в них присутствует значительная фундаментальная составляющая, без решения которой трудно рассчитывать на дальнейшее успешное развитие.

Для решения всех этих проблем, очевидно, нужны специальные экспериментальные комплексы, оснащенные специальным оборудованием. Причем, эти комплексы могли бы быть центрами коллективного пользования.

Сейчас уместно напомнить и о том, что активно релятивистской высокочастотной электроникой, которая оформилась в самостоятельное направление, занимается группа из многих институтов в городах Томске, Екатеринбурге, Нижний Новгород, Саров, Москва, но, к сожалению, активность их монотонно падает из-за отсутствия должной финансовой поддержки.

Наконец в заключение отмечу, что шансы быть лидером в мире по этому многообещающему направлению еще не нулевые, но быстро снижаются, и мы опять окажемся в неприятной роли догоняющих, а начали первыми. Спасибо за внимание.

В.В. Костюк: Спасибо. Слово имеет академик Ю.В. Гуляев.

Ю.В. Гуляев: Очень кратко я хочу напомнить историю. Как вы знаете, после открытия Флемингом или Дефорестом вакуумных ламп, началась эра вакуумной электроники. Она длилась примерно до начала 50-ых гг.(даже первые ЭВМ были на вакуумных лампах), но потом после открытия транзисторов и возможности минитюаризации всей электронной аппаратуры началась эра твердотельной электроники сначала кремниевой, а после открытия Жоресом Ивановичем Алферовым и его коллег – гетероструктурной полупроводниковой электроники. Но вакуумная электроника оставалась, она не погибла. Вакуумные приборы до сих пор не используются везде, у них есть своя ниша даже в микроэлектронике.

За эти годы после 50-ых гг. были сделаны крупнейшие открытия в этой области. Одно из них – получение в «Истоке» металлосплавных катодов, потому что главное здесь – катод.

Все мы знаем, что температура плавления сплава может быть ниже температуры плавления компонент. Точно также работа выхода из сплава может оказаться ниже работы выхода из компонент. Поэтому сегодня вольфрам-гафниевые катоды работают во всех мощных радиолокаторах мира.

Другое крупнейшее открытие – это открытие Г.А. Месяцем взрывной эмиссии электронов. Я не буду вдаваться в физику, здесь все подробно было рассказано.Это явление тоже получает колоссальное приложение.

Могу сказать, что на основе теории волнового взаимодействия, разработанной членом-корреспондентом РАН В.А. Черепениным, нами вместе с институтом Геннадия Андреевича был получен мировой рекорд на длине волны 3 см 20 гигаВатт мощности в импульсе 60 нс. Насколько я понимаю, этот мировой рекорд до сих пор еще не побит.Так что начинается некая новая эра после каждого такого открытия.

Могу сказать, что мы продолжаем этим заниматься. В 1993 г. мне с моей группой в Саратове удалось открыть эмиссию из углеродных нанотрубок.Это маломощные приборы, но сегодня мы уже демонстрируем первые маленькие телевизоры размером 18 см по диагонали.

«Самсунг» уже сделал свой телевизор 36 дюймов и недавно представил его на выставку. Но эти телевизоры пока не идут, потому что они очень дороги. Маленькие дисплеи для сотового телефона и для видеокамер, где яркость в четыре раза больше, чем жидкий кристалл, а энергопотребление в два раза меньше, будут востребованы. Вакуумная электроника развивается и будет развиваться.

Самое крупное открытие за последнее десятилетие — это открытие взрывной эмиссии — то, о чем нам сегодня рассказал Геннадий Андреевич. Спасибо за внимание.

В.В. Костюк: Большое спасибо. Слово имеет Иван Александрович Щербаков.

И.А. Щебаков: Мне врезались в память события 1973 года. К этому времени сложилась очень тесная коллаборация между тремя коллективами — Институтом сильноточной электроники, Институтом прикладной физики и отделением Физического института, которое сейчас является Институтом общей физики им. Прохорова А.М.

В 1973 году были получены совершенно феноменальные результаты — 300 мегаватт за 50 наносекунд на длине волны 3 см. Тогда это был мировой рекорд. Он, по-моему, до сих пор остается, и важность этих событий сохраняется и сегодня и, может быть, даже выросла, потому что пришло понимание того, насколько это все важно.

Какие последствия этого открытия? Во-первых, тесная коллаборация этих трех институтов и сейчас есть, она в какой-то степени окрепла, и эта деятельность продолжается, как говорится, несмотря на все трудности.

Каждый электрик должен знать:  Пьезоэлектричество (Плонский А. Ф.)

В чем еще важность этих результатов? Коротко Геннадий Андреевич заметил, что «звездные войны» тут играли некую роль. Сейчас «звездных войн» нет, но забота об обороноспособности нашей страны осталась. И с этой точки зрения результаты, о которых говорил Геннадий Андреевич, очень и очень важны и сегодня.

Спасибо за внимание.

В.В. Костюк: Спасибо, Иван Александрович! Мне тоже хочется поблагодарить Геннадий Андреевича за очень интересный доклад. Мы все знаем его работы, знаем мировое признание его работ.

Хотелось бы отметить, что не каждому ученому удается создать даже одну научную школу. А академик Месяц, по существу, создал три научных школы, из которых организовал два института в Екатеринбурге и Томске. Остается только порадоваться за него и поблагодарить за то, что у нас есть еще такие ученые. Спасибо. (Аплодисменты).

Энергетика импульсных генераторов с индуктивным накопителем и прерывателем тока Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Логинов С. В.

Приводится электротехнический анализ схем включения прерывателя тока в контур с индуктивным накоплением энергии. Рассмотрены схемы включения прерывателя без нагрузки, с индуктивной и резистивной нагрузками. Выполнен анализ схем двухкаскадного обострения импульса и включения нагрузки до прерывателя. Для линейно нарастающего сопротивления прерывателя получены формулы расчета параметров импульса на нагрузке. Дается сравнение с результатами экспериментов.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Логинов С. В.

ENERGETICS OF PULSE GENERATORS WITH AN INDUCTIVE STORAGE AND A CURRENT INTERRUPTER

Electrotechnical analysis of current interrupter connection circuits in a contour with inductive energy storage is given. Interrupter connection circuits without load, and also with inductive, or resistive loads are considered. Analysis of two-stage pulse sharpening scheme and also the scheme with the load upstream from the interrupter is fulfilled. In the case of linearly rising interrupter resistance, the analytical formulas for the load pulse parameters determining are obtained. It is given comparison with experimental results.

Текст научной работы на тему «Энергетика импульсных генераторов с индуктивным накопителем и прерывателем тока»

ЭНЕРГЕТИКА ИМПУЛЬСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ И ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА

Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск E-mail: loginov@oit.hcei.tsc.ru

Приводится электротехнический анализ схем включения прерывателя тока в контур с индуктивным накоплением энергии. Рассмотрены схемы включения прерывателя без нагрузки, с индуктивной и резистивной нагрузками. Выполнен анализ схем двухкаскадного обострения импульса и включения нагрузки до прерывателя. Для линейно нарастающего сопротивления прерывателя получены формулы расчета параметров импульса на нагрузке. Дается сравнение с результатами экспериментов.

В последние два десятилетия в импульсной энергетике интенсивно разрабатываются радиационные плазменные источники излучения тера-ваттной мощности с длительностью импульса

10. 100 нс [1]. Для создания таких источников экспериментально проверяется технология формирования импульсов тока с помощью промежуточного индуктивного накопителя с микросекундным временем зарядки и размыкающего ключа для переключения энергии в излучающую нагрузку. Плотность энергии в индуктивном накопителе в десятки раз выше, чем в емкостном, поэтому его использование позволяет многократно снизить весогабаритные характеристики и стоимость установки. Однако применение таких накопителей возможно только с прерывателем тока, в частности плазменным, обеспечивающим сжатие импульса на нагрузке в десятки раз.

В настоящей работе дается электротехнический анализ схем включения прерывателя тока в контур с индуктивным накоплением энергии. Рассмотрены схемы включения прерывателя без нагрузки, с индуктивной и резистивной нагрузками. Приведен анализ схем двухкаскадного обострения импульса и включения нагрузки до прерывателя. Для линейно нарастающего сопротивления прерывателя получены формулы для расчета параметров импульса на нагрузке. Приближение линейного нарастания сопротивления в стадии быстрого обрыва тока оправданно как для плазменных прерывателей [2], так и для электровзрывных размыкателей [3].

1. Основные схемы включения прерывателей

Основные схемы включения прерывателя тока в контур с индуктивным накопителем показаны на рис. 1. В проводящем состоянии прерывателя индуктивность заряжается током 10 от первичного емкостного накопителя энергии. В момент размыкания на прерывателе возникает напряжение, величина которого зависит от параметров контура и скорости роста сопротивления прерывателя.

В схеме включения прерывателя без нагрузки (рис. 1, а) ток разряда определяется из уравнения

Рис. 1. Схемы включения прерывателя

решение которого имеет вид

где 10 — ток в индуктивности в момент срабатывания прерывателя. В силу экспоненциального спада тока напряжение на прерывателе ^(0=!(0Я(0 достигает максимума при условии:

Для. линейно нарастающего сопротивления Я (0=Я/ максимальное напряжение на прерывателе

где е — основание натуральных логарифмов, достигается в момент времени

Поскольку максимальный ток в накопителе I0= U0/p, где U0 — выходное напряжение первичного емкостного накопителя, р — волновое сопротивление контура зарядки, то из (2) следует, что применение прерывателя дает увеличение напряжения в K=(RC/e)0’5 раз, где C — емкость в ударе первичного накопителя.

Рассеиваемая в прерывателе мощность Ps(t)=Rs(t)Is2(t) достигает максимума при условии

Rs (t ) = 2R2(t )/ Lg. (4)

Для линейно нарастающего сопротивления максимум мощности Psmax=(LgR/2e)0’5I02 достигается в момент времени tm = ^Lg / 2Rs.

Для типичных значений плазменного прерывателя R

0,1 Ом/нс, Lg=100. 400 нГн, I0

1 МА фронт нарастания напряжения tm

30. 60 нс, амплитуда напряжения Vm

2. 4 МВ, максимальная мощность Лшх

В схеме включения накопителя на индуктивную нагрузку (рис. 1, b) токи в накопителе I, прерывателе Is и нагрузке I определяются из системы уравнений

с начальными условиями I(0)=Is(0)=I0, I;(0)=0. Ее интегрирование дает ток в прерывателе

Мощная импульсная энергетика

СЕКРЕТЫ ИМПУЛЬСНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.
© Канарёв Ф.М.

Доклад на Европейский энергетический симпозиум, посвящённый Тесловским технологиям, который пройдёт в Австрии, в Vienna с 12 по 14 марта 2010г.
Аннотация.
Вода – основной источник будущей экологически чистой энергетики, поэтому актуальность поиска путей решения этой задачи непрерывно растёт. Но есть силы преступно препятствующие этому.
.
Человечество же создало мощные энергетические системы с процессами, не импульсного, а непрерывного производства и потребления энергии. Это очень неэкономные системы и они доживают свой век. Импульсные энергетические системы многократно уменьшат затраты энергии на развитие человеческой цивилизации. Уже установлено, что автономные инерциальные импульсные электромеханические источники энергии наиболее экономно разлагают воду на водород и кислород. На каждый Ватт мощности, затраченной на возбуждение магнитных полей, они генерируют в десятки раз большую мощность. Уже испытаны автономные источники питания, реализующие указанный эффект. Он значительно усиливается при использовании инерции вращающихся масс механических систем.

Длительность задержки реализации описанного эффекта обусловлена ошибочностью большей части динамики Ньютона и непониманием закона формирования мощности в электрических цепях. Новые законы механодинамики описывают отдельно все фазы движения материальных тел: ускоренное, равномерное и замедленное и позволяют решать задачи, непосильные динамике Ньютона. Доказана экспериментально и достоверность закона формирования мощности электрической цепи, реализация которого значительно уменьшает затраты электрической энергии на работу импульсных её потребителей.
Применение электромеханического генератора электрических импульсов (рис. 1) для питания электролизёра позволило получить такие экспериментальные закономерности изменения составляющих баланса мощности, расходуемой на электролиз воды, какие раньше не были известны науке. Оказалось, что прямые затраты на получение одного кубометра смеси газов водорода и кислорода из воды значительно меньше стоимости природного газа. Кроме того, выяснилось, что эту задачу можно решить двумя способами: электрическим и электромеханическим. Секреты первого раскрывать не будем, а второго раскроем лишь частично. Совместное использование этих секретов многократно увеличивает энергетический эффект.

Рис. 1. Электромеханический генератор электрических импульсов
.

Рис. 3. Центробежный усилитель мощности: 1 – электродвигатель; 2 и 3 – дисбалансы; 4 – шестерни, 5 – зубчатое колесо; 6 – неподвижная ось; 7 – обгонная муфта; 8 – подшипник; r – радиус вращения центра масс дисбаланса;
.
Прочитавшие внимательно этот текст, поймут, что без знания новых законов механодинамики невозможно коммерциализировать подобные изобретения [2], [3].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Импульсная энергетика делает первые шаги на пути к коммерциализации. Нет смысла заниматься этим делом тем, кто не владеет новыми законами механодинамики и новыми законами электродинамики микромира, описывающей чудеса поведения электронов, снабжающих нас тепловой и электрической энергиями [1].

Литература.
Канарёв Ф.М. Начала физхмии микромира. Монография. 1050 стр. Краснодар 2010. I
Канарёв Ф.М. ВВЕДЕНИЕ В МЕХАНОДИНАМИКУ
Канарёв Ф.М. INTRODUCTION TO MECHANODYNAMICS
Линевич Э.И. Применение центробежной силы в качестве источника мощности.

Способ генерации энергии и индуктивный генератор для его осуществления

Владельцы патента RU 2558693:

Изобретение относится к сильнотоковой импульсной технике и может быть использовано в качестве вторичного источника электрической мощности для питания нагрузок. Согласно изобретению, через последовательно включенные индуктивный накопитель энергии, первичный источник питания и коммутатор электрической цепи пропускают ток накачки индуктивного накопителя энергии и после достижения током накачки заданного значения размыкают общую цепь коммутатором, а энергию импульса экстратока размыкания выводят в нагрузку, причем для увеличения отношения энергии экстратока размыкания к энергии тока накачки первичным источником питания выполняют электрическую цепь, содержащую активное сопротивление и индуктивность накопителя с такими значениями номиналов, при которых длительность тока накачки меньше постоянной времени индуктивного накопителя на заданную величину. Технический результат — повышение эффективности. 3 ил.

Изобретение относится к сильнотоковой импульсной технике и может быть использовано в качестве вторичного источника электрической мощности для питания преимущественно активных нагрузок.

Известно описание способа работы генератора импульсных токов на основе индуктивных накопителей энергии с размыкателем тока и активной нагрузкой, в котором индуктивный накопитель включают последовательно с первичным источником питания и коммутатором, а после достижения заданной величины тока в накопителе, коммутатором размыкают цепь тока. При этом мощность импульса экстратока, возникающего в момент размыкания, увеличивается по сравнению с мощностью источника питания. Полученную таким образом энергию импульса подают в нагрузку (Пичугина М.Т. Мощная импульсная энергетика. — Томск: Изд-во ТПУ. — 98 с. УДК621.316.9.001.4).

В современных индуктивных накопителях для повышения мощности импульса предпочитают увеличивать напряжение U первичного источника. В настоящее время его приходится повышать до десятков и более киловольт. Это является большим недостатком известного способа.

Известен индуктивный генератор, содержащий последовательно соединенные первичный источник энергии, линию передачи тока, индуктивный накопитель энергии с внешним и внутренним электродами и, по меньшей мере, один плазменный прерыватель тока с плазмообразующей системой, а также нагрузку, подключенную параллельно ему через линию передачи энергии, при этом плазменный прерыватель тока расположен на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя и содержит вакуумируемый корпус, являющийся внешним электродом прерывателя, и внутренний электрод, соединенные соответственно с внешним и внутренним электродами индуктивного накопителя (пат. RU №2169442, опубл. 20.06.2001 г.).

Известный индуктивный генератор имеет тот же главный недостаток, что и описанный выше. Как известный генератор, так и все другие, подобные ему, из-за высокого напряжения опасны в эксплуатации, являются сложными и дорогими системами, поэтому непригодны для серийного производства и широкого использования.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности индуктивного генератора в широком диапазоне мощностей. Заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в том, что энергию импульсов индуктивного генератора увеличивают главным образом не за счет повышения напряжения первичного источника, а за счет увеличения им (генератором) отношения энергии импульса экстратока размыкания к энергии импульса тока накачки.

Технический результат достигается предлагаемым способом генерации энергии в индуктивном накопителе энергии и ее выводом в нагрузку, согласно которому через последовательно включенные индуктивный накопитель энергии, первичный источник питания и коммутатор электрической цепи пропускают ток накачки индуктивного накопителя энергии и после достижения током накачки заданного значения размыкают общую цепь коммутатором, а энергию импульса экстратока размыкания выводят в нагрузку, причем для увеличения отношения энергии импульса экстратока размыкания к энергии тока накачки первичным источником питания, выполняют электрическую цепь, содержащую активное сопротивление и индуктивность накопителя с такими значениями номиналов, при которых длительность импульса тока накачки становится меньше постоянной времени индуктивного накопителя на заданную величину.

Изобретение поясняется фигурами 1-3. На фиг. 1 изображена схема индуктивного генератора, на фиг. 2 изображена схема соединения катушек индуктивностей генератора, на фиг. 3 изображены графики электрических сигналов, поясняющих работу индуктивного генератора: (а) — импульсы напряжения, приложенные к индуктивному накопителю энергии; (б) — импульсы тока накачки; (в) — вид импульсов напряжения без конденсатора и с подключенным конденсатором.

Введены цифровые обозначения: 1 — первичный источник электропитания; 2 — индуктивный накопитель энергии; 3 -коммутатор электрической цепи; 4 — блок управления коммутатором; 5 — блок диодов; 6 -вторичный накопитель энергии; 7 — нагрузка генератора; 8 — электромагнитные экраны.

Введены следующие буквенные обозначения: WR — энергия импульса накачки (это активная энергия, затрачиваемая источником электропитания), WL — энергия импульса экстратока размыкания (это реактивная энергия индуктивного накопителя), К — количество индуктивных цепей (в частности, количество катушек индуктивности) в индуктивном накопителе 2; U — напряжение; UП — напряжение первичного источника питания 1; UkR — амплитуда импульса напряжения на индуктивном накопителе 2, содержащего одну катушку индуктивности, при разряде на нагрузку 7 без конденсатора 6; UkC — амплитуда импульса напряжения на индуктивном накопителе 2, содержащего одну катушку индуктивности, при разряде на нагрузку 7, зашунтированную конденсатором 6; USR — амплитуда импульса напряжения на индуктивном накопителе 2, содержащего К катушек индуктивностей, при разряде на нагрузку 7 без конденсатора 6; USC — амплитуда импульса напряжения на индуктивном накопителе 2, содержащего К катушек индуктивностей, при разряде на нагрузку 7, зашунтированную конденсатором 6; I — ток; Ik — максимальная амплитуда тока накачки индуктивного накопителя 2, содержащего одну катушку индуктивности; IS — максимальная амплитуда тока накачки индуктивного накопителя 2, содержащего К катушек индуктивностей; k — график изменения тока накачки индуктивного накопителя 2, содержащего одну катушку индуктивности; S — график изменения тока накачки индуктивного накопителя 2, содержащего К катушек индуктивности; t — длительность замкнутого положения коммутатора 3; tз — длительность размыкания коммутатора 3; L — индуктивность одной катушки индуктивности; R — активное сопротивление одной катушки индуктивности; n -коэффициент кратности (безразмерное число); е=2,7182818 — математическая константа.

На фиг. 1 изображена схема индуктивного генератора, в которой реализован предлагаемый способ генерации энергии. Генератор работает следующим образом. Включают первичный источник питания 1, начинает работать блок управления 4, на выходе которого появляются прямоугольные импульсы длительностью t, период повторении которых равен Т. Эти импульсы поступают на управляющий вход коммутатора 3, который срабатывает при появлении первого импульса и замыкает цепь для тока накачки индуктивного накопителя 2. Напряжение UП первичного источника 1 прикладывается к выводам индуктивного накопителя 2. В цепи возникает ток накачки I индуктивного накопителя 2, который нарастает по экспоненциальному закону. Через промежуток времени t действие управляющего импульса прекращается и по его спаду (по заднему фронту) длительностью tз коммутатор 3 размыкает цепь. При этом возникает экстраток размыкания, который выводят с помощью блока диодов 5 во вторичный накопитель энергии 6 (конденсатор), в результате, последний заряжается. Процесс вывода энергии, накопленной в индуктивном накопителе 2, занимает промежуток времени tз, который равен продолжительности размыкания коммутатора 3. Время tз практически совпадает с длительностью заднего фронта импульса управления. В течение промежутка времени tз коммутатор 3 полностью размыкает цепь накачки и одновременно, в течение времени tз, энергия, накопленная в индуктивном накопителе 2, сбрасывается через блок диодов 5 в конденсатор 6. Далее, конденсатор 6 разряжается через нагрузку 7. Описанный цикл повторяется с периодом Т прихода импульсов, которые выдает блок управления 4.

В предлагаемом способе генерации увеличивают энергию импульса экстратока размыкания цепи относительно энергии импульса тока накачки:

где WL=L·I 2 /2, WR=I 2 ·R·t, n — числовой коэффициент. Раскроем члены в (1):

1/2·L·I 2 /I 2 ·R·t=n и сократив на ток I 2 , получим следующее выражение

Из (1) и (2) следует, что в электрической цепи, для увеличения коэффициента n, необходимо уменьшать длительность импульса накачки t. Таким образом, для реализации технического результата, длительность импульса накачки должна удовлетворять условию:

где L/2R — постоянная времени индуктивности.

Рассмотрим процесс осуществления способа подробнее. Предположим, что электрическая цепь содержит индуктивный накопитель 2 с одной катушкой индуктивностью L и активным сопротивлением R. Когда к выводам катушки приложен импульс напряжения UП первичного источника 1, то через нее идет экспоненциально нарастающий ток, который описывается известным выражением

При этом увеличивается энергия, запасенная в катушке

где WL — энергия магнитного поля катушки.

Тот же самый ток I, который увеличивает энергию WL, одновременно расходует энергию первичного источника на активном сопротивлении R цепи, в частности, R равно сопротивлению катушки, если сопротивлением остальной части цепи можно пренебречь:

где WR — затраченная энергия.

Найдем отношение запасенной энергии в катушке к энергии, затраченной на активном сопротивлении R за время t. Для этого разделим выражение (5) на (6):

где n — числовой коэффициент. Полученное выражение совпадает с результатом (2), а значит верно и соотношение (3).

Следует заметить, что уменьшение длительности t импульса накачки приводит к уменьшению величины энергии WL, которая подается в нагрузку: см. (5); фиг. 3.

С точки зрения промышленной применимости изобретения, генератор с выходной мощностью, составляющей микроватты, максимум — милливатты, малопригоден.

В известных способах генерации импульсов индуктивными генераторами, для увеличения энергии импульса, как уже говорилось, повышают напряжение UП первичного источника, так как очевидно, что если уменьшать t, то надо и уменьшать индуктивность L, но тогда будет уменьшаться и энергия WL.

В предлагаемом способе, для увеличения выхода энергии индуктивный накопитель можно выполнить в виде системы (набора) индуктивных цепей (в частности, в виде набора катушек индуктивности), выполненных с одинаковыми индуктивностями L и одинаковыми активными сопротивлениями R, соединенными параллельно одноименной полярностью, при этом взаимоиндукцию между ними устраняют, например, электромагнитными экранами.

При параллельном соединении таких индуктивностей L суммарная индуктивность LS и суммарное активное сопротивление RS будут равны

где К — количество индуктивностей.

Если подставить LS и RS в соотношение (3),

то видно, что оно не изменилось, а это значит, что величина коэффициента n в соотношении (1) и (2) не зависит от количества К индуктивных цепей, выполненных по предлагаемому способу.

Если подставить значение суммарной индуктивности LS и значение суммарного активного сопротивления RS в соотношение для энергии (5), накопленной в индуктивном накопителе в течение времени t, и получаем

который показывает, что индуктивный накопитель 2, выполненный в виде указанного набора из К индуктивностей L, в течение времени накачки t накапливает энергию в К раз больше чем с одной индуктивностью L.

Для удобства расчетов в формуле (9) заменим время t его выражением из формулы (2):

Аналогичной подстановкой RS и LS в соотношение (6) находим энергию, затраченную первичным источником в течение времени накачки t

Из (10) находим необходимое количество К индуктивностей в накопителе

В качестве числового примера, определим необходимое количество К индуктивностей в составе индуктивного накопителя 2 по известным данным.

Дано: индуктивность одной катушки L=0,2 Гн; ее активное сопротивление R=0,1 Ом; зададим коэффициент n=100; напряжение первичного источника UП=200 В; величина энергии индуктивного накопителя в импульсе WL=100 Дж. Подставляем эти данные в формулу (12) и получаем ответ:

При этом длительность времени накачки, из соотношения (3), составляет

Способ генерации энергии в индуктивном накопителе энергии и ее вывода в нагрузку, согласно которому через последовательно включенные индуктивный накопитель энергии, первичный источник питания и коммутатор электрической цепи пропускают ток накачки индуктивного накопителя энергии и после достижения током накачки заданного значения размыкают общую цепь коммутатором, а энергию импульса экстратока размыкания выводят в нагрузку, отличающийся тем, что для увеличения отношения энергии импульса экстратока размыкания к энергии тока накачки первичным источником питания выполняют электрическую цепь, содержащую активное сопротивление и индуктивность накопителя с такими значениями номиналов, при которых длительность импульса тока накачки меньше постоянной времени индуктивного накопителя на заданную величину.

Мощная импульсная энергетика: Учебное пособие

This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Мощная импульсная энергетика

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

УДК 621.316.9. 001.4 Пичугина М.Т. Мощная импульсная энергетика. − Томск: Издво ТПУ, 2005. − 98 с. Учебное пособие написано в соответствии с типовой программой направления 140200 — Электроэнергетика. Пособие подготовлено на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений ТПУ и включает в себя следующие разделы: емкостные накопители энергии, индуктивные накопители, взрывомагнитные генераторы, ударные и униполярные генераторы; генераторы импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса. Пособие предназначено для студентов специальности «Высоковольтная электроэнергетика и электротехника». Табл. 10. Илл. 65. Библ: 35 назв.

©Пичугина М.Т., 2005 ©Томский политехнический университет

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

ВВЕДЕНИЕ В программу подготовки инженеров по специальности «Высоковольтная электроэнергетика и электротехника» входит курсы по технике высоких напряжений и высоковольтному испытательному оборудованию. Курс по мощной импульсной энергетике является логическим продолжением этих курсов. Развитие ускорительной, лазерной техники, управляемого термоядерного синтеза, электроразрядных и пучковых технологий, радиолокации и т.д. стимулирует создание импульсных источников энергии на напряжение от нескольких киловольт до мегавольт, импульсные токи от ампер до сотен килоампер. Длительность импульса может быть доли миллисекунд и наносекунды, частота повторения импульса — от единиц до тысяч герц. Импульсные источники напряжений включают в себя, как правило, накопитель энергии, систему умножения (трансформации) напряжения, систему коммутации и управления. В качестве накопителя энергии в них чаще всего используются емкостные и индуктивные накопители. Увеличение напряжения может достигаться разными способами: например, переключением элементов накопителя с параллельного на последовательное, использованием импульсного трансформатора, резким обрывом зарядного тока индуктивного накопителя. В качестве коммутаторов используются искровые разрядники, газоразрядные лампы, тиратроны и полупроводниковые коммутаторы. Обрыв тока осуществляется размыкателями тока, такими как плазменные размыкатели, размыкатели на основе электрического взрыва проводников, вакуумные и др. Учебное пособие содержит ссылки на литературу, которая поможет желающим подробнее ознакомиться с затронутыми вопросами.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

1. Накопители энергии 1.1 Емкостные накопители энергии 1.1.1 Общие сведения об емкостных накопителях Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) широко используются в физических экспериментах благодаря ряду достоинств: — малому внутреннему сопротивлению ( 100 кВ); — по запасаемой энергии: малой (до 100 кДж), средней (до 1000 кДж), большой (> 1000 кДж); — по длительности импульса тока: миллисекундного диапазона, микросекундного диапазона и наносекундного диапазона.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Кроме того, ЕНЭ следует различать по типу конструкции и способов соединения элементов. Традиционной является конструкция ЕНЭ в виде однотипных конденсаторов, соединенных в разряде параллельно (генератор импульсных токов) или последовательно (генератор импульсных напряжений). В таких генераторах конденсаторы состоят из отрезков полосковых линий, которые соединены между собой и с выводом через индуктивности. При этом даже в режиме короткого замыкания выполняется следующее условие ω0⋅τ0 1,

или для однородной линии l0

l0 – длина линии; L’ — ее индуктивность на единицу длины; LB – индуктивность вывода линии. В рабочем режиме кроме LB следует учитывать индуктивность LH. Поэтому в цепи с малым сопротивлением линия может разряжаться либо как обычный конденсатор (если не выполнено условие (1.2) и (1.3), где вместо LB фигурирует (LB + LH)), либо в волновом режиме, где

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

если при замене LB на LB + LH выполнены условия (1.2) и (1.3). Активное сопротивление, включенное последовательно с LH, приближает разряд к волновому. Хотя различие конденсаторных батарей и формирующих линий непринципиально, между ними имеются существенные конструктивные различия. Рассмотрим ЕНЭ конденсаторного типа, выполненные по схеме параллельного соединения конденсаторов (генераторы импульсных токов). Структурная схема генераторов импульсных токов (ГИТ) представлена на рис. 1.2. Энергия запасается в конденсаторной батарее КБ, которая заряжается до заданного напряжения с помощью зарядного устройства ЗУ и разряжается на нагрузку через систему коммутации СК, состоящую из коммутаторов и устройств управления ими. Ток от конденсаторов к разряднику и далее к нагрузке подводится с помощью соединительных элементов СЭ (кабелей или листовых шин). Как правило, накопители с энергией 105 Дж и выше создают в виде однотипных модулей, состоящих из отдельных конденсаторов или групп конденсаторов с общим коммутатором. Энергия, запасаемая в одном модуле, ограничена значением, не приводящим к взрыву при пробое одного из конденсаторов и разряда на него всех конденсаторов модуля. Обычно она не превышает 10 ÷ 50 кДж и лишь при использовании специальных мер защиты может быть увеличена до 100 – 200 кДж. ЗУ

Рис. 1.2. Структурная схема ГИТ: ЗУ – зарядное устройство; КБ – конденсаторная батарея; СК – система коммутации; К – коллектор; УБС – устройство управления, блокировки и синхронизации; Н – нагрузка, СЭ – соединительные элементы

Каждый модуль может быть независимо подключен к нагрузке. Если цепи разряда отдельных модулей электрически не связаны (например, при питании устройств для накачки лазеров), то ГИТ представляет собой совокупность независимых элементов, включенных одновременно или со сдвигом во времени. Более типичны накопители, в которых ток от всех модулей должен быть передан в общую нагрузку, при этом используется дополнительная 6

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

сборная шина К, к которой подводится ток от модулей и присоединяется к нагрузке Н. Обязательным элементом накопителей являются УБС, обеспечивающие нормальную и безопасную работу. В табл. 1 приведены характеристики генераторов импульсных токов большой энергии среднего уровня напряжения. Таблица1.1 Характеристики ГИТ большой энергии среднего уровня напряжения I0 , МА

L0 ⋅W0 нГн⋅М Дж 8

Примечания: I0, τ0 – расчетные значения амплитуды тока и времени нарастания при коротком замыкании.

Из таблицы видно, что для ГИТ, предназначенных для получения большого тока с малым временем нарастания в малоиндуктивной нагрузке, характерно существенное различие в параметрах. Другие ГИТ служат лишь как источники энергии, и к ним эти требования не предъявляются. Сюда относятся накопители с рекордно большим энергозапасом для питания лазеров, а также ЕНЭ низкого напряжения, предназначенные для создания магнитного поля в больших многовитковых соленоидах установок ТОКАМАК, в магнитных системах, используемых для транспортировки плазменных сгустков и электронных пучков. Основные требования, предъявляемые к таким установкам: надежность работы накопителя; отсутствие пробоев конденсаторов и изоляции; отсутствие самопроизвольного срабатывания конденсаторов; синхронность работы модулей. Такие же требования предъявляются к ГИТ, предназначенным для получения больших токов в малоиндуктивной нагрузке. Кроме того, выдвигаются дополнительные требования, связанные с обеспечением высокой эффективности передачи энергии в нагрузку и высокой скорости нарастания тока. Такие требования могут быть выполнены в ГИТ, собственная индуктивность которых мала. 7

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Это следует из известного выражения для энергии, переданной в индуктивную нагрузку в момент максимума тока, и для начальной скорости нарастания тока WM = W0 ⋅ k0 ⋅ LH /( L0 + LH ) = W0 ⋅ k0 ⋅ η0 , U0 ⎛ di ⎞ , ⎜ ⎟ = ⎝ dt ⎠ 0 (L0 + LH )

где W0 – начальная энергия накопителя; LH – индуктивность нагрузки; U0 – начальное напряжение батареи; k0 – коэффициент, учитывающий уменьшение энергии к моменту максимума тока вследствие потерь в активных сопротивлениях цепи разряда. В ГИТ, питающих малоиндуктивную нагрузку, собственную индуктивность можно снизить путем уменьшения индуктивности ее составляющих: конденсаторов (LC), соединительных элементов ( L/M ), коммутаторов (LР), проводников, соединяющих модули с нагрузкой (LТ) и коллектора (LК). Собственная индуктивность ГИТ ⎛ L ⎞ 1 L 0 = ⎜⎜ C + L/M + LP ⎟⎟ + LT + LK , ⎝ N CM ⎠ NM

NCM – число коллекторов в модуле; NM — число модулей; NCM ⋅ NM = NС – полное число конденсаторов. Индуктивность L0 сама по себе мало характеризует качество конструкции ГИТ, т.к. этот показатель не является «удельным» показателем. Более удобно сравнивать ГИТ разной энергии по параметру L0W0: чем он меньше, тем совершеннее конструкция ГИТ по обеспечению малой индуктивности. Для оценки того, насколько хорошо согласованы между собой элементы цепи и каковы резервы уменьшения полной индуктивности ГИТ при заданных параметрах конденсаторов, целесообразно ввести удельный параметр LC/(L0NC) (см. табл. 1.1), характеризующий относительный вклад конденсаторов в полную индуктивность ГИТ. Из формулы (1.6) видно, что основной вклад в L0 в малоиндуктивных ГИТ вносят два последних члена выражения, тогда как индуктивность модулей где

LМ = ⎛⎜⎜ LC + L/M + LP ⎞⎟⎟ 1 относительно мала, потому что NM велико. ⎝ N CM ⎠ NM При этом параметр LC /( L0NC) много меньше единицы. Очевидно, что в крупных ГИТ существует возможность снижения собственной индуктивности главным образом благодаря применению более совершенных соединительных элементов, а при существующей 8

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

их конструкции можно использовать конденсаторы с большей индуктивностью, мало изменив L0. У генераторов с малой энергией, состоящих из небольшого числа конденсаторов, вклад их индуктивности, а также индуктивности коммутаторов в L0 существенен. В таких ГИТ небольшое значение индуктивности можно получить лишь снижением индуктивности всех элементов, в том числе и конденсаторов. Например: ГИТ с энергией 50 кДж (U0 = 50 кВ) состоит из 6 модулей, включающих 1 конденсатор и 1 твердотельный разрядник. Полная индуктивность короткого замыкания L0 = 4 нГн. LC = 8 нГн, LР ≅ 6 нГн, LК = 1,4 нГн (конденсаторы подключены непосредственно к сборной шине). При этом L0W0 = 0,2 МДж⋅нГн; LC /(L0NC) = 0,3, что намного выше, чем у ГИТ большой энергии. Задача минимизации собственной индуктивности ГИТ – комплексная. Разумный уровень требований к L0 определяется параметрами нагрузки (нет смысла добиваться значения L0, меньших, чем (0,1 – 0,2) LН), а требования к индуктивности элементов цепи должны диктоваться вкладом этих элементов в общую индуктивность. Вместе с тем важны конструктивные и экономические соображения, в частности простота конструкции элементов ГИТ, удобство их монтажа и обслуживания, а также стоимость ГИТ, включая стоимость монтажных работ. При разработке ГИТ возникают следующие основные проблемы: создание конденсаторов с повышенной удельной энергией; разработка системы коммутации с требуемой пропускной способностью; разработка соединительных элементов. 1.1.2 Разрядные процессы в емкостных накопителях энергии Различные схемы разрядных контуров можно представить в виде последователь соединенных CН, LP, RР (рис 1.3). Рис. 1.3. Разрядная схема ГИТ: CН – емкость накопителя; LP – индуктивность разрядного контура; RР – активное сопротивление разрядного контура; К – коммутатор.

Параметры LP и RР включают в себя индуктивности и активные сопротивления нагрузки LН, RН, проводов разрядного контура LПР, RПР, и дуги разрядного устройства LД, RД. В общем случае параметры LP(iР) и RР(iР) являются переменными, зависящими от iР, причем 9

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

зависимости могут быть нелинейными. Нелинейность определяется электромагнитными процессами в разрядных устройствах и нагрузке. При постоянных LP и RР можно записать [3]

U Cн = i p ⋅ R p + L

При начальных условиях R > RД LP = LПР + LН >> LД,

RН и LН = const. КПД разрядного контура определяется выражением ηр =

Wр.н = R н ⋅ ∫ i 2p ( t )dt — энергия, выделенная в нагрузке;

— энергия, запасенная в накопителе.

Для анализа колебательных разрядов в разрядных контурах с искровыми разрядниками и с постоянной индуктивностью используют следующий приближенный метод. 10

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

На первом этапе анализа полагают RН = 0, RПР = 0. Считают, что затухание колебательного разряда определяется только потерями в дуге искрового промежутка. На втором этапе считают, что RР = RН + RПР. При идеализации процесса в дуге принимают, что на протяжении одного периода колебаний разрядного тока температура дуги и электродов мало изменяется. Поэтому напряжение UД между электродами, зависящее в основном от t0, в случае принятой идеализации почти не будет зависеть от мгновенного значения тока, но меняет знак при изменении направления тока. Вольт – амперная характеристика описывается выражением U Д = е Д ⋅ Siqn i p .

Осциллограмма UД(t), снятая с искрового промежутка разрядника, приведена на рис.1.11.

Рис. 1.4. Вольт – амперные характеристики дуги: а – реальная (осциллограмма); б – идеализированная.

Отсюда видно, что на большей части полупериода UД ≈ const и не зависит от мгновенного значения iР(t), меняющегося на том же интервале времени. Уравнение баланса напряжений разрядного контура будет UL + UД + U C H = 0.

Дифференциальное уравнение относительно разрядного тока

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

⎛ 1 + e Д ⋅ Sign i p + ⎜⎜ dt ⎝ CH

Уравнение не имеет решения в замкнутой форме из-за наличия сигнатуры. Поэтому рассматриваем решение на каждом полупериоде с постоянным знаком тока iP и напряжение UД. Из (1.22) получаем уравнение колебательного контура без затухания d 2i p dt 2

Решением этого уравнения будет выражение IP(t) = IM⋅Sin ω0t ,

Затухание же реального разрядного тока в данной упрощенной методике учитывается следующим образом. Для того чтобы удовлетворялось (1.21), при интегрировании UCH = (

1 ) iP dt постоянная интегрирования должна быть принята в CH ∫

виде ± еД, т.е. UCH ( t ) = −

Im cos ω0t ± e Д . ωC H

Амплитуды токов и напряжений определяются из начальных условий. Примем U CH ( 0 ) = U p (ток на первом полупериоде принимаем положительным). Получаем − Up = −

Im − еД . ωo ⋅ C н

Амплитуда тока на первом полупериоде I m = ωo C н ( U p − U Д ) = ( U P − e Д ) ⋅ С н / L P . 1

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

В следующем полупериоде меняют знаки ток и еД, а условие непрерывности тока в конце первого полупериода при ωОt = π можно записать Im

I m 2 = I m − 2e Д ⋅ С н / L P . 1

Соответственно U c 2 = U c 1 − 2e Д = U P − 2e Д .

Для n – го полупериода получим I m n = I m1 − 2( n − 1 ) ⋅ e Д ⋅ С н / L P , U c = U P − 2( n − 1 ) ⋅ e Д . n

На рис. 1.5 показаны зависимости тока и напряжения на ЕН в

Рис. 1.12. Разрядные токи и напряжения в разрядном процессе ЕН

разрядном процессе в соответствии с (1.21) и (1.22). В отличие от линейной колебательной цепи с резистивными сопротивлениями, в цепях с затуханием, определяемым потерями в дуге, амплитуда колебаний убывает не по экспоненциальному, а по 13

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

линейному закону и процесс во времени затухает много быстрее. Колебания состоят из N полупериодов и продолжаются до тех пор, пока напряжение на ЕНЭ не уменьшится до значения еД. Отсюда следует условие UP – 2N⋅eД = eД, (1.25) из которого получаем выражение для числа полупериодов колебаний N = (UP – eД) / 2еД = 0,5(UP/еД – 1).

Остаточное напряжение на ЕН U co 2

LP , критическое сопротивление может оказаться Cн

существенно меньше 2

LP . Зная iP(t) и время разряда tP, можно Cн

определить энергию потребителя и КПД разрядного процесса. 1.2 Индуктивные накопители энергии 1.2.1 Общие сведения

Генераторы импульсных токов на основе индуктивных накопителей представляют собой индуктивные накопители энергии с размыкателями тока. Накопление энергии происходит при зарядке катушки индуктивности от источника постоянного тока. Схема простейшего индуктивного накопителя энергии и изменение тока и абсолютного значения напряжения на индуктивности во времени показаны на рис.1.6. При зарядке до момента t1 коммутатор К1 замкнут, от источника питания ИП течет нарастающий ток. Напряжение на индуктивности не превышает напряжения источника питания. При достижении U,I

Рис. 1.6. Схема индуктивного накопителя (а) и изменение тока и напряжения на его индуктивности во времени (б)

необходимого тока (накопления энергии) зарядная цепь размыкается коммутатором К1, а коммутатором К2 подсоединяется нагрузка. Накопитель разряжается на нагрузку. При активной постоянной нагрузке ток в ней падает по экспоненте с постоянной времени, 15

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

определяемой значениями L и Rн. Напряжение на нагрузке, равное напряжению на индуктивности L, в момент коммутации скачком возрастает. При этом мощность, развиваемая в нагрузке, увеличивается по сравнению с мощностью источника питания. Плотность энергии магнитного поля, запасаемой в индуктивных накопителях, на 2 порядка выше, чем плотность энергии электрического поля, запасаемая в конденсаторах или длинных линиях. Это обстоятельство является решающим при создании накопителей с большими энергиями. При энергиях выше 106 Дж индуктивные накопители становятся экономически более выгодными, чем емкостные (например, для термоядерных установок). Разработанные в настоящее время индуктивные накопители с 7 обычными катушками имеют энергию порядка 10 Дж и используются в качестве источников импульсных токов для питания мощных ускорителей, импульсной зарядке конденсаторов и формирующих линий. В отличие от емкостного накопителя, индуктивный в заряженном состоянии потребляет от источника энергию, компенсирующую потери на активном сопротивлении катушки при протекании тока. Поэтому накопители с предельными энергиями могут быть реализованы только со сверхпроводящей катушкой. Создание катушки обычного накопителя, источника питания и коммутатора К2 не представляет технических трудностей. Однако создание коммутатора К1, отключающего зарядный ток, является сложной задачей. 1.2.2 Использование индуктивных накопителей в цепях с емкостными и индуктивными элементами

Если из первичного емкостного накопителя требуется вывести энергию в нагрузку с малым активным сопротивлением RН в течение времени ∆t (причем ∆t существенно больше постоянной времени

Рис. 1.7. Электрическая схема LC – контура с замыкателем типа «кроубар»

RНС, так что непосредственное включение конденсатора с емкостью С на RН не обеспечивает требуемый режим разряда), то можно использовать схему с промежуточным индуктивным элементом L и шунтирующим замыкателем К2 (рис1.7). Вначале К2

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

разомкнут, и при замыкании К1 начинается колебательный разряд в LC-контуре, содержащем сопротивление нагрузки RН. Если постоянная затухания контура ξ = R 2 C /(4 L) >τC). КПД процесса передачи энергии от ЕН к ИН высокий, так как время заряда ИН, равное t0, мало. Другой пример связан с передачей энергии от ИН к индуктивной нагрузке LН (рис.1.8,а). Короткозамкнутый контур с ИН, в котором запасена энергия W0 = 0,5Li02, разрывается коммутатором К, и ИН включается на индуктивную нагрузку LН, причем LН =L (оптимальный режим), а активные сопротивления в контуре пренебрежимо малы. Начальный ток ИН i0 после коммутации уменьшится вдвое, так как полное потокосцепление должно сохраниться.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Рис. 1.8. Схема прямого (а) подключения к ИН индуктивной нагрузки и через промежуточный конденсатор (б)

В результате энергия, переданная нагрузке, будет WН =0,25 W0. Энергия, оставшаяся в ИН, составит WИН =0,25 W0. Следовательно, энергия 0,5W0 будет потеряна в коммутаторе, каким бы идеальным ни стремились его сделать. На коммутаторе при его размыкании за время tК возникают большие напряжения порядка UK ≈ 0,5 Li0 /tK. Очевидно, такая схема передачи энергии нерациональна. Ее эффективность можно повысить за счет включения промежуточного конденсатора с емкостью С (рис.1.8,б). До начала рабочего процесса ключ К1 замкнут и в индуктивности L течет начальный ток i0, при t=0 ключ К1 размыкается, ключ К2 служит для подключения нагрузки и в течение рабочего процесса замкнут. Уравнение такой цепи при отсутствии активных сопротивлений: Ld 2 i / dt 2 + ( i − iн ) / C = 0 ; L н d 2 iн / dt 2 + ( iн − i ) / C = 0

при начальных условиях для t=0: i=i0, iн=0, Lнdiн/dt= Ldi/dt=0 (так как в начальный момент емкость эквивалентна короткозамкнутой перемычке). Решением этих уравнений будет L i = I ∞ ( 1 + н cos ωt ) , L


I ∞ = i0 L /( L + Lн ) ,

iн = I ∞ ( 1 − cos ωt ) ,

ω = ( L + Lн ) /( LLн C ) .

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Максимальный ток нагрузки при ωt=π I нm = 2 I ∞ = 2i0 L /( L + Lн ) ,

и энергия, переданная в нагрузку, Wн = 0,5Lн I 2 нm = 4W0 LLн /( L + Lн ) 2 ,

где W0 = 0,5Li02 – начальная энергия. Таким образом, например, при Lн= L, благодаря включению конденсатора имеем Wн = W0, т.е. вся начальная энергия передается в индуктивную нагрузку. Кроме того, конденсатор шунтирует ключ К1 при размыкании, и напряжение на К1 во время коммутации (tk) будет много меньше, чем в схеме на рис. 1.8,а. Напряжение на конденсаторе

i 1 ( i − iн )dt = 0 sin ωt , ∫ C ωC

и его максимальная энергия Wc = 0,5CU 2 c = W0 Lн /( L + Lн ) .

При Lн =L имеем WC = 0,5W0, т.е. для реализации схемы требуется относительно большая емкость, что является недостатком такого способа передачи энергии в индуктивную нагрузку. 1.3 Взрывные генераторы

Взрывные генераторы, называемые также магнитокумулятивными, основаны на принципе сжатия импульсного магнитного поля с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ). Магнитокумулятивные источники энергии с высокими 3 открывают удельными характеристиками (10-100 МДж/м ) 19

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

большие возможности для научных исследований и практического применения в импульсной энергетике, физике плазмы, лазерной физики, в ускорительной и СВЧ -технике. Компактность магнитокумулятивных генераторов позволяет создать мощные высокоэнергетические установки, которые при относительно небольшом объёме могут обеспечить предельные параметры, например, при нагреве плазмы до высоких температур, формировании направленных пучков излучения и т.п.. В 1951 г. А.Д. Сахаровым впервые была высказана идея о возможности превращения энергии ВВ в энергию магнитного поля и им же были предложены принципиальные конструкции источников сверхсильных магнитных полей и токов, основанные на быстрой деформации взрывом токонесущих контуров. Взрывной генератор – это система с переменной индуктивностью, уменьшающейся в процессе работы. При этом движущиеся проводники, ускоренные взрывом, совершают работу против пондеромоторных сил магнитного поля, что приводит к увеличению энергии поля. Магнитное поле может возбуждаться внутри тонкостенного Рис.1.9. Взрывной генератор: металлического цилиндра 1-взрывчатое вещество; 2(лайнера), помещенного внутри катушка с током; 3- стальная одновитковой или многовитковой катушки, на которую разряжается емкостный накопитель. В момент достижения максимального тока I (и, соответственно, Н) происходит симметричное обжатие лайнера и сжатие магнитного поля (рис.1.9). Магнитное поле может возбуждаться соленоидом и вытесняться в цилиндр – нагрузку. В Рис.1.10. Схема взрывомагнитного этом случае генератор генератора: 1-стальная трубка; 2- соленоид; 3состоит из нагрузка центральной проводящей трубы и коаксиально расположенной спирали (соленоида, переходящего в 20

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

цилиндр). Во внутреннюю трубу помещается заряд ВВ, инициируемый с торца со стороны спирали (рис. 1.10). Батарея конденсаторов С разряжается на цепь: внутренний цилиндр – нагрузка – соленоид. Под действием продуктов детонации центральная труба растягивается в виде конуса, и в момент достижения максимального тока I происходит замыкание токовой цепи. При дальнейшем соприкосновения распространении волны детонации точка внутреннего цилиндра движется по спирали к нагрузке. При этом индуктивность L уменьшается, а ток увеличивается до 108 А (рис. 1.11). Авторами создан источник на основе магнитокумулятивного генератора с трансформаторным выходом ВМГ-160 (магнитокумулятивный источник импульсов с узлом разрыва тока из Рис.1.11. Зависимость тока нагрузки от электрически взрываемых времени взрыва проводников), позволяющий формировать мощные (>100 ГВт) импульсы со временем нарастания тока

1 мкс на нагрузке

10 Ом. Начальное магнитное поле в магнитокумулятивных генераторах создается с помощью конденсаторной батареи, заряжаемой до напряжения 20 кВ. Коммутация энергии в заданный момент времени осуществляется с помощью четырех вакуумных разрядников, соединенных параллельно. Конструктивно (рис. 1.12) генератор выполнен из двух основных элементов: статора и центральной металлической трубы (арматуры). Статор генератора состоит из многосекционного соленоида 2 с внутренним диаметром

160 мм и длиной 846 мм, а также расширяющейся к выходу генератора медной коаксиальной трубы длиной 360 мм. При этом шаг намотки соленоида увеличивается в сторону этого конусного участка статора, заканчивающегося выходным фланцем, к которому крепится трансформатор. Секции соленоида наматываются медным проводом диаметром 5 мм в полихлорвиниловой изоляции толщиной 0,5 мм. При расширении центральной трубы под действием продуктов детонации ВВ до диаметра 104 мм в начале спирали индуктивность генератора уменьшается с 6,6 до 6 мкГн. 21

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Рис.1.12. Внешний вид генератора: 1−детонатор; 2−соленоид; 3− арматура (металлическая труба); 4−взрывчатое вещество; 5−труба из оргстекла; 6−конусный коаксиальный участок; 7−трансформаторный узел; 8− выходные фланцы; 9−замыкатель; 10− выход трансформаторного узла; 11− конусный фланец;12− крепежный хомут

Внутри медной трубы дополнительно расположена труба из оргстекла с толщиной стенки 4 мм. Это приводит к выравниванию давления на фронте ударной волны (более однородному профилю) при выходе ее на свободную поверхность арматуры, что позволяет обеспечить более симметричное растяжение трубы. Внутри диэлектрической трубы располагаются два цилиндрических и один конусный заряды ВВ, отлитые из сплава тротил-гексоген (ТГ50/50). Для согласования генератора с высокоимпедансной нагрузкой используется повышающий трансформатор. Максимальная величина начального тока, созданного конденсаторной батареей в контуре генератора, составила

220 кА. Усредненное значение максимальной величины тока во вторичной цепи трансформаторного узла было 535 кА, а усредненное значение максимальной величины производной данного тока -1,2 • 1010 А/с. На нагрузке с активным сопротивлением 13 Ом, получен импульс тока амплитудой -90 кА. При этом напряжение достигало 1,3 MB, что соответствует максимальной мощности 120 ГВт. Время нарастания тока составляло 100 нс. 22

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Помимо твердых ВВ во взрывных генераторах могут применяться и газообразные взрывчатые смеси 2Н2 + О2. Они обладают меньшей разрушительной силой, т.к. при взрыве развивается меньшее давление, чем в твердых ВВ (рис. 1.13). Коммутация осуществляется самим лайнером, который на начальной стадии расширения входит в соприкосновение с 12 радиальными контактами, соединенными с накопителем. Положение контактов выбирается таким, чтобы в момент замыкания всего коаксиала накоротко движущимся лайнером ток разряда был максимальным. Реализованный коаксиальный генератор имеет следующие характеристики: химическая энергия 925 кДж, I0 = 0,8 МА; начальная магнитная Рис.1.13. Схема взрывного энергия 10 кДж; максимальный генератора: 1 − лайнер; 2 — стальной ток 4,75 МА; максимальная корпус; 3 − газообразная смесь, Р =6 энергия 30 кДж. Магнитное поле МРа; 4 − ВВ проводник; 5 − датчик измеряется датчиком 5. Основной недостаток этого генератора состоит в том, что лайнер выбирается толстостенным, чтобы выдержать начальное давление ВВ, и поэтому перемещается недостаточно быстро. В результате велики потери вследствие диффузии магнитного поля в проводники за время перемещения лайнера. Взрывные МГД — генераторы. Для решения проблем современной физики и техники необходимо, чтобы электрический ток поступал в нагрузку в виде серии импульсов. В связи с этим в последние годы большое внимание уделяется взрывным МГД − Рис.1.14. Схема взрывного МГД − генератора: генераторам 1− заряд ВВ; 2 − электроды; 3 − сгусток плазмы (МГДВ), использующим в 23

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

качестве электропроводного рабочего газа плазму, образующуюся за фронтом сильной ударной волны, создаваемой при расширении продуктов детонации ВВ. МГД − генераторы с газообразным рабочим телом имеют ряд преимуществ. Они обладают высокой плотностью энергии и, следовательно, могут обеспечить необходимую энергию в указанном диапазоне в значительно меньшем объеме, чем любая конкурирующая система. Взрывные МГД−системы обладают малой массой на единицу выходной мощности, высокой надежностью, готовностью к быстрому старту. Схема линейного взрывного МГД−генератора изображена на рис 1.14. Генератор состоит из заряда ВВ − источника высокоскоростного потока ионизированного газа (плазмы), МГД − канала, через который течет ионизированный газ, устройства, создающего магнитное поле В, индуктивно −омической нагрузки LН и RН. При движении газа между электродами индуцируется э.д.с. и в цепи начинает протекать электрический ток. Вследствие действия пандеромоторных сил плазма тормозится, при этом часть ее кинетической энергии преобразуется в электромагнитную. Максимальные энергетические характеристики генератора: ток 920 кА, мощность

6·108 Вт, энергия 37 кДж (w0 = 21 кДж). КПД преобразования энергии ВВ в электрическую около 5%. 1.4 Ударные генераторы Ударные генераторы – это электрические машины, работающие в импульсном режиме. Наряду с установками для научных исследований (устройствами для получения сверхсильных магнитный полей, ускорителями заряженных частиц, устройствами для исследования плазмы и питания индуктивных катушек термоядерных установок) импульсная энергетика находит применение для испытания высоковольтной коммутирующей аппаратуры, в технике и технологии промышленного производства и др. Для многих потребителей генераторы ударной мощности оказываются самыми целесообразными источниками энергии, т.к. накопление энергии во вращающихся маховых массах является наиболее эффективным и экономичным. В современном турбогенераторе с номинальной мощностью 100 МВт при частоте вращения 3000 об/мин кинетическая энергия, запасаемая в роторе, достигает значений 2⋅108 Дж. Если нагрузке передается 10÷20 % запасаемой ротором кинетической энергии, то и тогда энергия, полученная нагрузкой, может достигать 100 МДж и более. Накопление энергии в маховых массах производится при сравнительно небольшой мощности приводного 24

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

двигателя. Так, ударный генератор, имеющий в импульсе мощность около 106 кВ·А, разгоняется двигателем мощностью около⋅ 103 кВт. Затем включается возбуждение генератора, и к нагрузке поступает электрическая энергия, вырабатываемая при торможении ротора электродинамическими силами. Для повторения цикла нужно вновь довести скорость вращения до требуемой, т.к. за время импульса ротор несколько затормаживается. Накапливаемые энергии в ударных генераторах приближаются к 109 Дж, максимальные токи достигают нескольких сотен килоампер при длительности (10-1 ÷ 1) с. Наибольшее распространение получили ударные генераторы для испытания выключателей высокого напряжения на способность отключать токи короткого замыкания в сети. Обычно генераторы имеют напряжение 10 – 20 кВ, а для повышения напряжения до 220 кВ используются трансформаторы. Для питания крупных электрофизических установок используются агрегаты переменного тока, которые могут иметь горизонтальный или вертикальный вал. На рис. 1.15 приведена схема агрегата, состоящего из трехфазного генератора переменного тока, маховика и разгонного асинхронного электродвигателя.

Рис. 1.15. Блок схема агрегата объединения «Электросила»: 1 – подшипник; 2 – статор; 3 – ротор генератора; 4 – подшипник; 5 – вал; 6 – кожух маховика; 7 – асинхронный двигатель

Генератор выполнен в виде синхронного двухполюсного двигателя турбогенератора с цельнокованым ротором с косвенным воздушным охлаждением обмоток ротора и статора. Ротор опирается на два радиальных подшипника с принудительной масляной смазкой. Ротор генератора имеет достаточно большой диаметр и запасает энергию около 0,1⋅109 Дж при номинальной частоте вращения 3000 об/мин. Удельная его энергоемкость 5 Дж/г. Маховик выполнен в виде цельнокованого цилиндра из стальной поковки с высокими механическими свойствами, он сопрягается непосредственно с ротором через полумуфты. Запасаемая энергия его при номинальной частоте вращения 0,8⋅109 Дж, а удельная энергоемкость 10 Дж/г. С другой стороны маховика размещен разгонный асинхронный двигатель номинальной мощностью 4 МВт.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Агрегат имеет следующие технические характеристики: пиковая мощность – 242 МВ·А, номинальное напряжение 10,5 кВ, длительность импульса – 5 с. Повышение энергоемкости единичного маховика в диапазоне 5⋅109 Дж – 1010 ДЖ связано с вертикальным исполнением конструкции и использованием неметаллических маховиков. Механические накопители с генератором постоянного тока получили название униполярных. Перспективной областью применения таких генераторов является техника получения сильных магнитных полей. Наиболее крупный из существующих униполярных генераторов построен для питания обмотка возбуждения протонного синхротрона на 10 ГЭВ (Австралия). Ротор генератора состоит из четырех дисков диаметром 3,55 м и массой 20 т каждый. Диски изолированы от вала и соединены последовательно, что позволяет получить результирующее напряжение 720 В. Накапливаемая дисками кинетическая энергия составляет 600 МДж, ток в импульсе при замыкании генератора на обмотку электромагнита синхротрона равен 1,7⋅106 А. Для коммутации были использованы медные щетки площадью S = 10 –4 м2 каждая. На наружной стороне каждого диска было установлено по 863 щетки и на внутренней – по 576 щеток. Масса машины 1500 т. Импульсные униполярные генераторы большой мощности могут обеспечить высокую удельную энергию около 97,5⋅106 Дж/м3 . Однако низкое напряжение и сложность токосъема ограничивают их применение. 1.5 Схемы умножения напряжения 1.5.1 Генераторы импульсных напряжений, выполненные по схеме Аркадьева-Маркса

Наибольшее распространение среди методов умножения напряжения получили генераторы Аркадьева-Маркса (рис.1.16). Несколько конденсаторов (в общем случае n) с емкостью С каждый соединены параллельно и заряжаются до напряжения U0 через зарядные сопротивления R0 и сопротивление R1 от общего источника выпрямленного напряжения. При пробое запускающего разрядника F1 происходит импульсная перезарядка паразитных емкостей С′п и осуществляется пробой очередного промежутка с прогрессивно нарастающим напряжением. В итоге конденсаторы С оказываются соединены последовательно и на выходе получается напряжение nU0. Анализу работы схемы, состоящей из нескольких конденсаторов, 26

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

соединенных параллельно и медленно заряжающихся от источника постоянного напряжения, а затем быстро разряжающихся на нагрузку при последовательном соединении, посвящено много работ.

Рис.1.16. Принципиальная схема генератора Аркадьева-Маркса Для увеличения напряжения на одной ступени схемы Маркса до 2U0 и увеличения соответственно амплитуды импульса на выходе до 2nU0 используется схема генератора импульсных напряжений с двухсторонней зарядкой. Тогда для заряда конденсаторов используются оба полупериода выпрямленного напряжения. Схема замещения разрядного контура генератора приведена на рис. 1.17, где С0 = С/n – емкость в «ударе», U = U0⋅n – выходное напряжение; n – число ступеней ГИН; RИ – сопротивление искры коммутатора; RД – демпфирующие сопротивления; RН и СН – активное сопротивление и емкость нагрузки; К – ключ, соответствующий идеальному коммутатору. Если считать, что искровые промежутки в разрядниках пробиваются в условиях, близких к статическому режиму, то для одного разрядника сопротивление канала искры можно определить по формуле Ромпе и Вайцеля Rè2 ( t) =

где р – давление газа, ат; d – длина промежутка, см; а – константа, характеризующая газ.

Для воздуха и азота а ≈ (0,8÷1) ат⋅см2/ В2⋅с. При неизменном пробивном напряжении промежутка pd = const (закон Пашена). Поэтому с ростом давления газа RИ уменьшается. При определении амплитуды и длительности импульса обязательно надо учитывать RИ. Если не учитывать влияние L, Cн и RД на параметры импульса, то с учетом сопротивления искры амплитуда импульса имеет вид: 27

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

⎛ ⎞ 1 ⎟ U = U 0 ⎜⎜1 − 3 1 + 2B ⎟ ⎝ ⎠

2p⋅d2 Rí ⋅ Ñ0 . , θ= a ⋅U 02 θ

Для В ≤ 20 (3.3) При В≥5

tИ = 2,2⋅θ + 1,3 ⋅RН⋅С0. tô ≈

(1 − (2 Â) −1 / 3 ⋅ j 3/2 ) 128 , ⋅θ⋅ 1 — ϕ (A) 27

где À = L / θ ⋅ Rí , L – индуктивность разрядного контура. Из формул (1.39-1.41) следует, что длительность импульса tИ, амплитуда импульса U и длительность фронта импульса tФ зависят не только от параметров R, L, C разрядного контура, но и от величины θ – постоянной времени искры. Чем меньше θ, тем больше амплитуда импульсов, меньше фронт и длительность. При неизменном напряжении U0

р –1 . Следовательно, чем больше давление газов р , тем меньше величина θ. В воздухе при атмосферном давлении и d = 1 см, θ = 2, а длительность фронта импульса даже при отсутствии индуктивности (L = 0) не может быть меньше 10 нс. Следовательно, для получения импульсов с фронтом > 2

L , то tИ = 0,7 RН⋅СО. Для получения фронта импульса CH

tФ = 10 –9 с необходимо, чтобы L > tГ, R2 C >> tГ, С>>С1 ≥ С2 , где tГ – суммарный интервал времени задержки последовательного срабатывания всех разрядников каскадов и требуемой длительности импульса выходного напряжения ГИН на нагрузке. Кроме того, пусть выполняются неравенства: С3 ≥ С4 > C5 , C1R1 >> tП , CR4 >> tг , C4R4 > tП выполняются и в тригатронах S4 ,S5 , то они тоже быстро поочередно включаются, тем более, что напряжения между ЭУ и Э2 в них могут составить до 3,1U и 3,8U соответственно.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Геометрические размеры разрядников в каскадах, их электропроводность, нагрузочные, пусковые и ресурсные характеристики определяют в значительной мере подобные характеристики одиночного ГИН и комплекса в целом. Разрядная камера тригатрона заполняется смесью 40 % SF6 + 60 % N2 под давлением 1 МПа. Два экземпляра тригатрона были испытаны при U = 100 кВ, коммутируемой энергии 2,5 кДж (при номинале 1,25 кДж), амплитуде разрядного тока 60 кА, запасе электропрочности К = 100 %, амплитуде 50 кВ с фронтом 13 нс и включением через каждые 30 – 60 с. Измерения показали, что у обоих разрядников в сериях до 104 запусков средняя задержка времени срабатывания 25 нс практически не изменилась, а максимальный ее разброс в диапазоне до 5⋅103 включений не превысил ± 5 нс, а по завершении испытаний ± 8 нс. Высоковольтный контур ГИН смонтирован в стальном заземленном герметичном баке с изоляцией контура от бака трансформаторным маслом. Габаритные размеры бака − является обратным сильноточным 1,33×0,73×0,75 м. Бак низкоиндуктивным токопроводом разрядной цепи. Он служит экраном от рассеяния электромагнитных полей в окружающее пространство при срабатывании тригатронов. Бак предохраняет персонал от поражения электрическим током и позволяет перемещать собранный ГИН грузоподъемным механизмом. Принципиально новым способом получения импульсов с крутым фронтом практически от любой схемы умножения является импульсная зарядка малоиндуктивного накопительного элемента. Из ранее приведенного анализа разрядного контура схемы Маркса следует, что параметры импульса даже при высоком давлении газа в разряднике определяются индуктивностью разрядного контура и емкостью нагрузки. Для устранения влияния этих факторов на фронт импульса необходимо включать между Рис. 1.22. Принципиальная схема ГИН (а) и высоковольтным разрядная схема (б) электродом отсекающего 35

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

разрядника ГИН и землей безиндуктивный конденсатор емкостью СК (рис. 1.22). Работа схемы основана на импульсной зарядке емкости СК накопительного конденсатора с последующим разрядом ее через промежуток Р2 на нагрузку RН. Пусть накопительный элемент СК заряжается достаточно долго так, чтобы после пробоя всех разрядников ГИН процесс коммутации в них практически закончился. При быстром пробое отсекающего промежутка Р2 и при малой L2 по сравнению с L1 импульс на нагрузке RН будет определяться вначале в основном параметрами L2, СК, RН и сопротивлением искры промежутка Р2, а затем уже параметрами разрядного контура ГИН. Схема замещения приведена на рис. 3.7(б). Включение К1 и К2 соответствует пробою промежутков Р1 и Р2. Сопротивление RД1 равно сумме остаточного сопротивления разрядников Р1, сопротивления ГИН, демпферного сопротивления. Основной недостаток схемы – малый КПД использования энергии ГИН в СК и нагрузке. Для повышения КПД следует увеличить СК /(СО/N), однако при этом напряжение на нагрузке будет падать. Анализ схемы разряда ГИН на СК показывает, что при СК /(СО/N) → 1, КПД → 1, хотя выигрыш по напряжению пропадает. После замыкания ключа К2 при условии, что RН⋅ СК >> tЗ = π/ω2, где ω2 = 2 / L1C2 , R p ≈ 0 практически вся энергия, запасенная в СК, выделяется на нагрузку RН. Оптимальное значение L1 ≈ 5RНtИ. Этот режим работы ГИН называется импульсной зарядкой накопительного элемента, и получил широкое распространение в мировой практике. На рисунке 1.23 приведена схема ГИН с импульсной На зарядкой СК. разомкнутом конце напряжение удваивается и амплитудное значение UВЫХ

500 кВ, фронт Рис. 1.23. Схема ГИН с накопительным импульса τФ = 1,5 нс. конденсатором: 1 – СГИН = 12,5 нФ, Для получения UГИН = 150 кВ; 2–дополнительная импульсов тераваттной индуктивность; 3 – малоиндуктивный конденсатор СК = 1 нФ; 4 – разрядная мощности в качестве камера под давлением Р = 1,6 МПа (азот); малоиндуктивных 5 – передающая глицериновая линия; накопителей энергии 6 – срезающий разрядник используются линии с 1

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

водяным диэлектриком при многокаскадном обострении импульса в водяных разрядниках. Для генераторов мощностью ∼ 10 ГВт емкость малоиндуктивного накопителя составляет 0,1 нФ, а обостритель работает в трансформаторном масле. 1.5.2 LC – генераторы Фитча

LC – генератор описан Фитчем в Принципиальная его схема приведена на рис. 1.24. В исходном состоянии емкости С заряжены от источника постоянного напряжения. В момент времени t = 0 четные емкости при замыкании ключей начинают разряжаться через индуктивности L. Через время t = π LC напряжение на них меняет знак, и на выходе генератора получается Рис. 1.24. Схема LC-генератора напряжение UВЫХ = N⋅U0 , где N – число каскадов. При отсутствии нагрузки напряжение на выходе изменяется по закону UВЫХ(t)=N·U0(1-eαt ·Cosωt)

где ω2 =1/LC; α = R/2L; R –сопротивление LC — контура, Ом. Из формулы (1.42) видно, что напряжение определяется специально включенной индуктивностью L. Если уменьшить L, то уменьшится напряжение на выходе из-за увеличения α. Эта схема имеет ряд преимуществ по сравнению с ГИН: вдвое уменьшается количество разрядников, но увеличивается точность их включения; сопротивление разрядников, их индуктивность не влияют на выходной импеданс схемы, если LC – генератор включить на нагрузку через дополнительный быстродействующий коммутатор. Можно выполнить схему с автоматическим запуском неуправляемых коммутаторов (рис. 1.25). Схема работает следующим образом. В исходном состоянии все конденсаторы С1 – С6 и С01 – С03 заряжены до U0.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

включения управляемого на коммутатора К1 искровом промежутке К2 возникает удвоенное напряжение. Сначала пробивается промежуток К2, затем под тройным напряжением — К3. После включения всех коммутаторов К1 – К3 конденсаторы С1, С3, С5 Рис.1.25. Схема LC – генератора с перезаряжаются через необратимым перезарядом емкостей каскадов индуктивности L1 – L3 и и автоматическим запуском коммутаторов вентили Д1 – Д3. Четные конденсаторы С2, С4, С6 остаются в исходном состоянии. В результате на нагрузке суммируется напряжение конденсаторов С1 – С6 . Время включения искровых промежутков К1 – К3 определяется параметрами емкостей С01 – С03, паразитными коммутаторов К1 – К3, индуктивностями и может быть порядка наносекунд. Это время много меньше времени перезарядки накопительных конденсаторов. Конденсаторы С01 – С03 дозаряжаются до двойного напряжения, которое прикладывается к вентилям Д1 – Д3. Дозарядка продолжается до тех пор, пока полностью не перезарядятся конденсаторы С1, С3, С5.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

2. Элементы накопителей энергии 2.1. Импульсные конденсаторы Конденсаторы, используемые в ГИТ, чаще всего работают в режиме, близком к короткому замыканию: колебательный разряд на малую индуктивность при частоте колебаний 104 – 107 Гц. Основное требование, предъявляемое к конденсатору – запасать максимально возможную энергию в единице объема. Она определяется рабочей напряженностью ЕР, при которой работает изоляция и диэлектрической проницаемостью ε изоляции. К основным факторам, ограничивающим ЕР, относятся: кратковременная прочность изоляции секций конденсатора, разрушение диэлектрика частичными разрядами (ЧР), тепловой режим конденсатора. Если конденсатор работает в частотном режиме, то ЕР определяется тепловым пробоем конденсатора. Если тепловой режим не является определяющим, то ЧР в толще диэлектрика и на закраинах секций являются определяющими. Внутренняя индуктивность конденсатора должна быть уменьшена в разумных пределах, не меньше 10 % от общей индуктивности ГИТ L0. При разработке и создании импульсных конденсаторов для емкостных накопителей энергии стремятся обеспечить следующие требования: возможно больший запас энергии в единице объема, малую внутреннюю индуктивность LС, малые потери энергии в разрядном режиме, высокую динамическую устойчивость внутренних соединений секций, групп секций и выводов конденсаторов достаточный срок службы в режиме многократных разрядов на нагрузку. Удельная энергия активного объема конденсатора определяется диэлектрической проницаемостью ε диэлектрика и рабочей напряженностью электрического поля ЕР Wоб = ε ⋅ Е 2 / 2 .

Каждый электрик должен знать:  Как сделать подсветку фартука светодиодной лентой фото, видео

Для изготовления импульсных конденсаторов применяются диэлектрики на основе конденсаторной бумаги, синтетических пленок, пропитанных жидким диэлектриком с ε = (2-7) ε0. Допустимая рабочая напряженность Едоп раб определяется кратковременной прочностью изоляции и длительной прочностью или процессами старения диэлектрика в импульсном режиме. Основное значение при

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

этом имеют тип применяемого диэлектрика и режим работы конденсатора. На значение Едоп раб оказывают основное влияние следующие факторы: гарантированный ресурс конденсатора, надежность, форма импульса в разрядном режиме, частота повторения импульсов. Перечисленные характеристики режима работы определяют условия старения изоляции, которое происходит, в основном, из-за ЧР. Развитие ЧР во включениях при импульсном напряжении принципиально не отличается от того, что происходит на переменном напряжении.

Рис. 2.1. Развитие частичных разрядов в изоляции а – при синусоидальном напряжении; б – при импульсном напряжении

— амплитуда напряжения, которая была бы достигнута на включении без ЧР; U ВЗ — напряжение зажигания разряда во включении (рис.2.1); U ВП — напряжение погасания разряда во включении. Число ЧР за один полупериод Т/2 определяется из следующих соотношений U BM

2U ВМ − (U ВЗ + U ВП ) . U ВЗ -U ВП

Если амплитуда напряжения, приложенного к диэлектрику, UМ, то из рис.2.2 U BM = UМ ⋅η ,

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Рис. 2.2. Схема замещения при наличии частичного разряда в диэлектрике: СВ – емкость включения; СД – емкость диэлектрика ,расположенного над включением; СХ –емкость образца

Тогда выражение (2.2) примет вид mМ =

2U М − ( U З + U П ) . UЗ — UП

При работе конденсаторов в ГИТ изоляция конденсаторов находится под воздействием затухающих колебательных импульсов напряжения. Число частичных разрядов за один импульс можно определить аналогичным образом. При этом число разрядов m за первый полупериод приложенного напряжения будет равно m1 =

U m ⋅ η + U 2 ⋅ η − U вз U m + U 2 − U з = . U вз − U вп Uз − Uп

За к-й полупериод mк =

U к ⋅ η + U к +1 ⋅ η − ( U вз + U вп ) U к + U к +1 − ( U з + U п ) = , (2.6) U вз − U вп Uз − Uп

где Um = U1 – величина зарядного напряжения; UК – амплитуда к-го импульса. U к = U к +1

где α — коэффициент затухания разрядного контура.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Частичные разряды будут происходить до тех пор, пока амплитуда напряжения на включении не станет ниже напряжения зажигания частичных разрядов U ВЗ . Число таких полупериодов n будет определяться из соотношения T − αn Um ⋅ e 2 = U3

2 Um . ln Tα U 3

Общее число разрядов за один импульс воздействующего напряжения mи =

Энергия, рассеиваемая при единичном ЧР, С 2 2 Wв = в ( U вз − U вп ). 2

Энергия, затраченная на ЧР за один импульс, WИ=WВ⋅mИ

Объем газа, выделившегося за каждый импульс в результате разложения пропитывающего состава частичными разрядами, VГ = WИ⋅χ,

где χ — коэффициент, показывающий, сколько кубических сантиметров газа выделяется в жидком диэлектрике под воздействием ЧР с энергией 1 Дж. Для минерального масла χ = 3⋅10-4÷3⋅10-3 см3/Дж. Надежную работу изоляции конденсаторов можно получить, если интенсивность газовыделения не будет превышать газопоглощающей способности жидкого диэлектрика. Если Z1 – число разрядов конденсатора, то условие равновесия между газовыделением в результате ЧР и газопоглощающей способности жидкого диэлектрика WИ⋅χ⋅ Z1 = Vt ,

где Vt – количество газов, поглощенных к моменту времени t.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Общий объем выделившегося газа не должен превышать максимального количества газа, которое может быть поглощено данным объемом жидкого диэлектрика. Этот объем равен ∞

Рис. 2.3 Зависимость выделившегося объема газа от напряженности электрического поля при импульсном режиме, пропитке конденсаторным маслом, числе импульсов 1000, декременте 1,1. Бумага: 1 – КОН-II, h – 0,08 мм; 2 – К – 080, h – 0,48 мм; 3 – К — 080, h – 0,64 мм;

Интенсивность газовыделения резко возрастает после достижения некоторой ЕКР, связанной с переходом процессов на краю электродов от короны к интенсивным скользящим разрядам (рис. 2.3). Интересно отметить, что напряженности появления критических ЧР совпадают на переменном напряжении и импульсном. Эти напряженности являются предельными для работы изоляции конденсаторов в импульсном режиме. Причем для КОН-II напряженность появления критических ЧР ЕКР — 80 кВ/мм для N = 10000 импульсов и ЕКР -100 кВ/мм для N = 1000 импульсов. Зависимость срока службы от напряженности приведена на рис. 2.4. Условие (1.52) позволяет определить также предельное количество разрядов конденсатора за весь срок службы при заданной напряженности или допустимую напряженность при заданном сроке службы. На интенсивность ЧР влияет не только Е, но и декремент колебаний контура. При увеличении декремента происходит уменьшение числа ЧР за каждый импульс, а, например, при увеличении декремента до 3 газовыделение уменьшается в 5-6 раз и Ераб тогда можно увеличить на 20-30 %. Таким образом, при работе конденсаторов по возможности следует увеличить декремент колебаний ∆, применяя для этой цели нелинейные сопротивления или замыкатели, шунтирующие индуктивность нагрузки контура непосредственно после прохождения тока через максимум. Реализация этих мер позволяет существенно 43

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

повысить рабочее напряжение конденсаторной батареи и увеличить амплитуду генерируемого разрядного тока. Для большинства типов отечественных и зарубежных импульсных конденсаторов объемная энергия составляет 0,1 МДж/м3 при рабочей напряженности 70-100 кВ/мм. Основной путь увеличения объемной энергии – это использование либо новых полимерных пленок, обладающих повышенной электрической прочностью и большой ε (например, полиэтиленфтолат), либо пленочно-бумажной изоляции с пропиткой касторовым маслом.

Рис. 2.4. Зависимость срока службы от напряженности, соответствующей Еm-m = Еm+Е1ОБР для конденсаторной бумаги, пропитанной трихлордифинилом

ЕКОМ = Еб[1+χ(εб/εП – 1)],

где Еб – рабочая напряженность бумаги; ЕКОМ – рабочая напряженность комбинированного диэлектрика; εб и εП – диэлектрические проницаемости бумаги и пленки соответственно; χ – относительное объемное содержание пленки в комбинированном диэлектрике. εКОМ = εб[1+χ(εб/εП – 1)] .

Удельная энергия конденсатора с комбинированным диэлектриком в единице активного объема диэлектрика 2 WОБ.КОМ=εКОМ⋅ Е КОМ / 2 =WОБ.Б[1+χ(εб/εП–1)],

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

где WОБ.Б = εб ⋅ Е 2 б / 2 — объемная энергия конденсатора с бумажным диэлектриком. Как следует из (2.18), если εб>εП , ЕКОМ>ЕБ, WОБ.КОМ увеличивается с ростом содержания пленки χ тем больше, чем больше εб/εП . Это справедливо, пока допустимая рабочая напряженность ЕКОМ не ограничивается кратковременной электрической прочностью пленки. Так, для лавсана толщиной 10 мкм это ограничение наступает при χ = 0,5, выше которого удельная энергия конденсатора начинает падать. Применение бумажно-пленочной и пленочной изоляции позволяет создавать отдельные конденсаторы, работающие в апериодическом разряде при пониженной надежности с запасаемой объемной энергией до 0,5 МДж/м3. Индуктивность импульсных конденсаторов. В ГИТах больших энергий индуктивность конденсаторов не играет большой роли, а в генераторах малых энергий – имеет определяющую роль. Индуктивность конденсатора LC включает индуктивность пакета секции LП.C , индуктивность соединительных шин LШ и индуктивность выводов LВ.К. LC =LП.C + LШ + LВ.К .

Индуктивность пакета секции LП.C зависит от индуктивности секции L′C и схемы соединения секций. Если nC – число последовательно соединенных секций, mC – число параллельно соединенных секций в группе, то L’ c ⋅ nc Lп.с . = . mc

Конденсаторные секции по способу выполнения обкладок можно разбить на 2 основные группы: рулонные и пластинчатые. Для уменьшения индуктивности секции выводы секции должны быть расположены таким образом, чтобы обеспечить бифилярное протекание тока по выводам и по фольге секции. Индуктивность фольги секции LФ и выводов LВ.С. можно уменьшить, если увеличить количество пар выводов mВ и обеспечить равномерное распределение тока между выводами (одинаковую индуктивность каждой пары выводов LВ.С.). При этом L’C = LФ / mВ + LВ.С / mВ ,

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

где LФ — индуктивность фольги секции при одной паре выводов, расположенных посередине (по длине фольги). Для уменьшения индуктивности соединительных шин и выводов конденсатора применяют конструкцию с бифилярным протеканием токов. Особенности конденсаторов, работающих при большой частоте повторяемости импульсов. В этих конденсаторах Ер ограничена тепловым режимом. Энергия, выделяемая в конденсаторе WВЫД. С в разрядном режиме, зависит от параметров нагрузки. Если RС – эквивалентное активное сопротивление конденсатора с энергией WС , RН – активное сопротивление нагрузки, RКОНТ. — эквивалентное активное сопротивление разрядного контура (разрядников, соединительных элементов), то WВЫД ,С = WО

RС /N С , RС /N С + RКОНТ + RН

где WО = WC ⋅ NC – энергия, запасенная в батарее конденсаторов накопителя; NC – количество параллельно включенных конденсаторов в накопителе. Таким образом, если Rн и RКОНТ. достаточно малы, даже при малом RС в конденсаторах будет выделяться значительная доля запасенной энергии. Для уменьшения потерь в конденсаторе целесообразно использовать диэлектрик секций с малым tg δ при частоте колебаний разрядного контура. Таким диэлектриком является пленочный или бумажно-пленочный диэлектрик с применением неполярных полимерных пленок (полипропилена, полиэтилена и др.) и неполярных пропитывающих составов (конденсаторного масла и др.). При этом может быть обеспечена добротность 100 при частоте 0,5–1 МГц . При использовании в качестве пропитывающего состава жидкого азота достигается охлаждение и уменьшение потерь в токоведущих частях и диэлектрике и добротность более 1000 при f = 0,5 – 1 МГц. К конденсаторам высоковольтных импульсных устройств предъявляются требования минимальной собственной индуктивности и минимального объема системы обкладок и диэлектриков, чтобы соединительные проводники не вносили в разрядный контур больших индуктивностей. В таблице 2.1. приведены основные параметры некоторых наиболее мощных высоковольтных импульсных 46

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

конденсаторов. Их можно использовать диапазона мегаджоульного запаса

в ГИН мегавольтного

Таблица 2.1. Основные параметры некоторых высоковольтных конденсаторов Тип конденсатора Рабочее напряжение, кВ

Запасаемая энергия, Дж

Керамические конденсаторы боченочной и дисковой формы (КВИ3, К15-4, К15-5) имеют малую индуктивность и сравнительно большую емкость (табл.2.2). Таблица 2.2. Основные параметры некоторых керамических конденсаторов Параметр Емкость, пФ Рабочее напряжение, кВ Высота, мм Диаметр, мм Масса, г

КВИ — 3 220 — 4700 16 — 5 20 — 14 20 — 50 35 — 70

К15У — 1 470 -10000 4,8 — 16 14 — 27 45 — 185 50 — 600

К15 — 4 220 — 4700 12 – 40 38 — 65 19 — 48 30 — 300

К15 — 5 70-15000 1,6 – 6,3 4-7 8 — 40 1,5 — 33

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

2.2 Изоляция соединительных элементов ГИТ В генераторах импульсных токов используется 2 типа соединительных элементов: плоские шины и кабели. Изоляция всех типов соединительных элементов выполняется так, чтобы обеспечить минимальное значение их индуктивности. Обычно она составляет 30÷40 % L0 ГИТ в схеме короткого замыкания. Для того, чтобы уменьшить индуктивность, необходимо максимально сблизить токоведущие части со встречно направленными токами. При этом изоляцию рассчитывают на работу при ЕMAX. Опыт эксплуатации показывает, что наиболее опасны для перекрытия по поверхности колебательные импульсы, наименее опасно – постоянное напряжение. Для полиэтиленовой изоляции кабеля ЕРАБ. КАБ = 10 – 20 кВ/мм, для изоляции шин, выполненной из пленочных диэлектриков (лавсана, фторопласта, полиэтилена в виде пленок толщиной (0,1 – 0,2 мм) ЕРАБ. ШИН = 20 – 30 кВ/мм. Дальнейшего повышения ЕР можно добиться, используя комбинированные диэлектрики и помещая их в жидкий диэлектрик (трансформаторное или конденсаторное масло). Тогда ЕРАБ. КОМБ = 40 – 50 кВ/мм. Твердая изоляция соединительных элементов ГИТ работает при высоких рабочих напряженностях, близких к тем, когда начинается скользящий разряд в воздухе по поверхности. В ГИТ на напряжение 50 кВ с изоляцией не возникает проблем, в ГИТ на напряжение 300 кВ изоляция соединительных шин выполнена из 70 слоев майлара суммарной толщиной 12,5 мм. Края шин цилиндрической формы загнуты с радиусом 5 см и вместе с закраинами изоляции длиной 150 мм помещены в элегаз при давлении 20 атм. Высоковольтные кабели значительно облегчают компоновку ЕНЭ, обеспечивая синхронную работу разрядников (рис. 2.5). Важное качество кабелей – удобство концевых разделок. Обычно это твердая изоляция (полиэтилен) до 100 кВ. На более высокое напряжение используются кабели с бумажной изоляцией и вязкой масло-канифольной пропиткой. Жилы кабеля выполнены в виде оплетки, наложенной на центральный полиэтиленовый стержень. Внешний токоведущий слой также сделан в виде оплетки или слоя лент. Диэлектрик покрывается полупроводящим покрытием с целью улучшения ионизационных характеристик. Конструкции коаксиальных кабелей приведены на рис. 2.6.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Рис. 2.5. Принципиальная а) и электрическая б) схемы ГИТ с соединительными элементами в виде кабелей: I) –напряжение и ток на выходах конденсаторов; II) -напряжение и ток на нагрузке при разомкнутом разряднике Р2; III)- напряжение и ток на нагрузке при замкнутом в максимуме тока разряднике Р2; 1 и 2 – кабели для зарядки и поджига; 3 – соединительные кабели разрядного контура

Для повышения ресурса изоляции необходимо подавлять процессы зарождения и развития дендритов. Наибольшее влияние на процессы зарождения дендритов оказывают микронеоднородности на поверхности жилы, наличие у жилы воздушных включений, а также инжектированный с поверхности жилы объемный заряд. Для того, чтобы задержать зарождение дендрита, применяют полупроводящий экран, исключающий воздушные включения. Для увеличения времени развития дендритов наиболее эффективно применение короностойких барьеров в толще изоляции (полимерных пленок с промазкой жидким диэлектриком). В зависимости от конструкции Е у жилы кабеля находится в пределах 20 – 40 кВ/мм. Требование минимальной индуктивности кабеля можно выполнить за счет уменьшения толщины изоляции и соответственно ЕР. Индуктивность коаксиального кабеля L = 2 ⋅ l ⋅ ln

где l – длина кабеля, м, dЖ и D – диаметры жилы и изоляции кабеля,м.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Рис. 2.6. Типы малоиндуктивных импульсных кабелей [1]: С – сердечник; Ж – жила; АЛ. Ж. – алюминиевая жила; Э – полупроводящий экран; ПЭ – полиэтилен; ПТФЭ – ленты политетрафторэтилена; О – внешний проводник; ЗО – защитная оболочка

⋅d E D U раб = доп ж ln , кВ, 2k 2 k1 ⋅ d ж

где ЕДОП – допустимая напряженность поля у жилы, кВ/мм; dЖ – мм; k1 и k2 – коэффициенты, учитывающие отличие многопроволочной жилы от предельного цилиндра, k1 = 1 – 0,96; k2 = 1,1 – 1,2. Для кабелей с диаметром жилы > 4 мм оптимальным соотношением диаметров внешнего и внутреннего проводов кабеля является m опт =

Оно выбирается из условия максимального UРАБ при заданном ЕДОП. Длина кабеля существенно влияет на выбор рабочего напряжения. Обычно l = (2 – 20) м. Электрическая прочность коротких кусков больше, чем электрическая прочность длинных кусков. Связь между ними устанавливается путем пересчета вероятности пробоя или непробоя при увеличении его длины (рис.2.7). В крупных ГИТ число отрезков кабелей равно 102 – 104 штук, причем пробой одного из кабелей приводит к выходу из строя на некоторое время установки в целом. Поэтому окончательный вывод UРАБ кабеля может быть сделан на основании большего числа

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Рис. 2.7. Экспериментальная вероятность распределения непробоев кабеля с резиновой изоляцией при разных длинах: 1 — 1,2 м; 2 — 12 м

образцов (десятков – сотен). В табл. 2.3 приведены некоторые характеристики импульсных кабелей. Таблица 2.3. Основные характеристики кабелей Тип кабеля

Тол Диаметр щина жилы, изол мм яции d, мм КПВ 1/75 8,0 15,0 КПВ 1/75 6,5 17,2 КПВ 1/50 2,5 4,1 КПВ 1/35 7,2 22,2

Срок Рабочее Наружный Индуктив Средняя жизни напряж диаметр с ность на 1 рабочая защитной мм, нГн напряженнос при ЕСР ение UP оболочкой, мм кВ ть ЕСР= UP/d, кВ/мм 40,0 160 15 104 120 5 40,0 140 11,5 10 75 15,8 220 20 103 50 7 42,2 11 4,9 10 35

Надежность импульсных конденсаторов и кабелей. К определению надежности отдельных элементов возможны два подхода: 1. Пробой одного из элементов накопителя приводит к автоматическому отключению части накопителя, и работа всей установки не прерывается. В этом случае задается предельное снижение запасаемой энергии накопителя за весь срок службы, при которой еще обеспечиваются необходимые параметры тока в нагрузке. Однако при этом выдвигаются очень жесткие требования к системе защиты, автоматическому отключению ячейки. 2. Каждый пробой любого из элементов накопителя приводит к отказу и прекращению работы всего накопителя. В этом случае

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

к надежности работы отдельных элементов накопителя предъявляются более жесткие требования. Надежность отдельных элементов должна быть на уровне 0,99 и выше. Прогнозирование требуемой надежности вызывает значительные трудности, связанные с длительными испытаниями большого количества элементов на срок службы. Повысить надежность работы ГИТ возможно путем использования ряда мероприятий. • Примененяют более совершенные изоляционные материалы: в конденсаторах — бумажно-пленочную и пленочную изоляцию; в кабелях — комбинированную изоляцию из полиэтилена и политетрафторэтилена. • Используют переход от колебательного разряда к апериодическому разряду, что увеличивает срок службы конденсаторов

в 100 раз. • Проводят усовершенствованные приемо-сдаточные испытания. Для этого испытывают повышенным постоянным напряжение на уровне 1,5 UНОМ в течение 3-5 минут и многократным (около 100) воздействием колебательных затухающих импульсов напряжения при амплитуде (1,1 — 1,3) UНОМ. • Ограничивают перенапряжения в элементах накопителя. В кабелях развиваются перенапряжения, вызванные распространением и отражением волн от ячеек и нагрузки. Они могут достигать значений, равных (1,7 – 2,4) UНОМ. В секциях конденсаторов эти перенапряжения не возникают. Если несинхронно срабатывают разрядники, то кратность бывает 3,5 и выше. Основной мерой, уменьшающей эти перенапряжения, является подключение резисторов к разрядникам или к нагрузке. Их выбирают из условия согласованной нагрузки для волн, распространяющихся по кабелям. Кратность перенапряжений снижается до (1,1–1,2) UНОМ. • Снижают рабочую напряженность электрического поля в конденсаторах и кабелях, если вышеперечисленные меры не позволяют получить требуемую надежность. Недостаток этого способа заключается в том, что при этом уменьшается удельная энергоемкость накопителя, увеличиваются его размеры и собственная индуктивность. Для конденсаторов и кабелей может быть принята степенная Зависимость срока службы N от напряженности Е (2.26) N = A⋅ E – n , где n = 6 для кабелей, n = 10 для конденсаторов. А – коэффициент, который зависит от типа конденсатора А = К⋅∆ n/2⋅ f — 1. 52

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Необходимо также учитывать, что уменьшение гарантированного ресурса приводит к увеличению надежности. Например, для конденсатора ИК – 50 –3 снижение до 10 3 импульсов приводит к увеличению надежности с 0,9 до 0,99. 2.3 Коммутаторы для емкостных накопителей энергии 2.3.1 Искровые разрядники Искровые разрядники находят широкое распространение в импульсной технике. Их можно классифицировать по следующим признакам: − по числу электродов − двух−, трех−, многоэлектродные; − по способу запуска – тригатронные, с «искажением» поля, запускаемые лучом лазера, подсветкой ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, электронным и ионным пучком; − по пробиваемому диэлектрику – газоразрядные (высокого и низкого давления), вакуумные, жидкостные и твердотельные; − по конфигурации электродов – рельсовые, кольцевые, шаровые, игольчатые и др.; − по числу каналов – одно−, многоканальные; − по разряду – искровые, с объемным разрядом, поверхностным разрядом. Двухэлектродные разрядники. Наиболее простым и широко распространенным двухэлектродным газовым коммутатором высокого давления является промежуток между двумя металлическими шарами, заполненный каким-либо газом под давлением 0,1МПа и более. 3 2 5

Рис. 2.8. Конструкция двухэлектродных газовых разрядников: 1 – электроды; 2 – корпус; 3 — внешние проводники; 4 – внутренние проводники; 5 – газ под давлением; 6 – изоляторы

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Наиболее типичные профили двухэлектродных разрядников приведены на рис. 2.8. Пробивное напряжение промежутка при импульсном воздействии зависит в общем случае от способа инициирования начальных электронов, интенсивности процесса инициирования, состояния поверхности электродов, их материала, количества проведенных разрядов и других факторов. После того как проводимость искрового канала становится соизмеримой с проводимостью источника напряжения, напряжение на промежутке за короткое время спадает до сотен вольт. Время уменьшения напряжения на промежутке при пробое от 0,9 Uп до (0,1-0,2) Uп называется временем коммутации искрового промежутка tk. Время коммутации зависит от сорта и плотности газа, импеданса разрядного контура Ζ и пробивной напряженности Еп = Uп/d. Оно возрастает с увеличением d и плотности газа и убывает с повышением пробивной напряженности в большей степени, чем с ростом d, а также оно убывает с увеличением импеданса разрядного контура. На этом основана работа обостряющих промежутков, в которых с уменьшением фронта подаваемого на них исходного импульса напряжения может быть достигнуто все более высокое напряжение, а следовательно, и Еп. При пробое с ростом Еп уменьшается время коммутации. Важной характеристикой разрядника является ресурс его работы, т.е. количество включений без его разборки из-за увеличения разброса времени срабатывания, нарушения изоляции продуктами разложения газа или материала электродов или ее старения. Для повышения ресурса работы разрядника нужно уменьшать переносимый за импульс заряд, увеличивать площадь электродов, использовать продувку газом после каждого включения, выбирать смеси газов с нейтральными продуктами разложения, электроды из материалов с повышенным сроком службы (нержавеющую сталь и другие твердые и тугоплавкие материалы). Трехэлектродные разрядники. В генераторах импульсных напряжений для получения минимального разброса в срабатывании используются управляемые разрядники тригатронного типа (рис. 2.9,а) и разрядники с искажением поля, в которых поджигающий импульс должен иметь крутой фронт и сравнительно большую амплитуду, а также используется усиление поля на катоде, способствующее эмиссии эффективных электронов. Способ управления в тригатроне – усиление электрического поля у кончика управляющего электрода при подаче поджигающего напряжения UП. 54

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Если полярность UП противоположна полярности основного напряжения UО, то электрическое поле становится резко неравномерным, и разряд развивается так же, как и при импульсном пробое стержень-плоскость. Наиболее благоприятна комбинация UО (-),UП (+), затем UО (+),UП комбинация UО (+),UП (+).

Влияние искажения электрического поля инициирующим разрядом осуществлено успешно в тригатронах с выступающей в зазор диэлектрической втулкой. Такие тригатроны имеют значительно больший диапазон рабочего напряжения с малым tЗ. Однако прочность диэлектрической втулки сдерживает использование ее в ГИТ. Для тригатронов без втулки оптимальные времена запаздывания tЗ бывают, когда осуществляется одновременный пробой основного и поджигающего промежутков. Для этого длина поджигающего промежутка должна быть соизмерима с основным зазором. Амплитуда поджигающего импульса UП должна быть примерно равна рабочему напряжению UР с фронтом τФ ≅ 0,01 мкс, но в несколько раз должна превышать разрядное напряжение поджигающего промежутка SП. Для уменьшения самопроизвольного срабатывания разрядники помещаются в чехлы ( полиэтиленовую пленку толщиной 150 мкм). Каскадный разрядник имеет промежуточный электрод 3, на котором напряжение задается с помощью делителя R Д1 / R Д 2 так, чтобы напряженности электрического поля в промежутках S1 и S2 были одинаковы. При подаче UП на электрод 3 возникает перенапряжение на S1 и происходит его пробой, после чего UО оказывается приложенным к промежутку S2, и он пробивается, если UО больше его разрядного напряжения. Для уменьшения статистического разброса срабатывания разрядника используют автоматическую подсветку, которая осуществляется при пробое подсвечивающего промежутка SП между электродами 3 и 4. Для расширения диапазона рабочего напряжения изменяется давление газа в разряднике. У разрядников с искажением поля управляющий электрод выполнен в виде пластины с острой кромкой, совмещенной с эквипотенциальной поверхностью электрического поля, образованного основными электродами. UП вызывает искажение электрического поля и приводит к последовательному во времени пробою S1 и S2 . Высокая напряженность электрического поля у острой кромки управляющего электрода обеспечивает возбуждение ионизационных процессов без tСТ. ЗАП, поэтому tЗ и σ очень малы.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Для уменьшения разброса времени срабатывания трехэлектродных разрядников, используемых в многосекционном ГИН мегаджоульного энергозапаса, все разрядники расположены в общем корпусе. При

Рис. 2.9. Управляемые газовые разрядники: а) – тригатрон; б) — каскадный разрядник с автоматическим управлением; в) — каскадный разрядник с искажением электрического поля; 1,2 – основные электроды; 3.4 – вспомогательные электроды; UП – поджигающий импульс напряжения с τФ и IП; RД1, RД2 — делитель напряжения; S1 и S2 – разрядные промежутки; SП – подсвечивающий промежуток.

этом достигается их взаимное облучение и стабильность срабатывания на уровне единиц наносекунд. Трехэлектродные разрядники являются наиболее простыми и надежными управляемыми разрядниками, использующиеся в схемах ГИТ и ГИН. Они обеспечивают большое (порядка 104) число включений без переборки. В пусковых схемах (первых каскадах ГИН) разброс в срабатывании разрядников может быть значительным. Уменьшение разброса срабатывания пусковых схем ГИН дают тригатроны или разрядники с искажением поля. Преимущества их в том, что они не требуют для своей работы дополнительной подсветки. Многозазорные разрядники. Многоэлектродные разрядники довольно широко применяются в импульсной технике, например, для укорочения длительности импульса, регулируемой задержки мощных наносекундных импульсов, в обострителях фронта импульса. Разработаны многоэлектродные коммутаторы с высокой стабильностью времени запаздывания включения, малой амплитудой пускового импульса, широким диапазоном рабочих напряжений при атмосферном давлении и временем коммутации порядка наносекунд. Эти характеристики достигаются использованием большого числа последовательно соединенных искровых промежутков длиной порядка 1 мм, а также существенным увеличением конструктивными методами емкости электродов на землю по сравнению с межэлектродной емкостью. На рис. 2.10 приведена принципиальная 56

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

схема многоэлектродного разрядника. Емкости электродов на землю СЗ значительно больше межэлектродных емкостей СЭ. Исходное равномерное распределение напряжения U0 накопительной емкости C по промежуткам обеспечивается резистивным делителем. При подаче пускового импульса амплитудой UП через емкость СР к среднему электроду n/2 +1 (при общем числе электродов n+1) непосредственно к среднему электроду приложится напряжение U′П, равное Cp

так как СЗ>>СЭ. Дальнейшее распределение пускового напряжения U′П по электродам 1÷n/2 , согласно рисунку 2.10, определяется выражением U КП = U ‘ П

где a = C З / С П , зазоров.

k – порядковый номер электрода, n – число

Рис. 2.10. Схема многозазорного разрядника: С – формирующая емкость; RН – нагрузка; СЭ – межэлектродные емкости; СЗ – емкости электродов на землю; R – делитель напряжения: СР — разделительная емкость; Un – пусковой импульс: 1, 2, ….n – номера промежутков

Анализ проведен при следующих допущениях: 1) постоянная времени зарядки емкости СЗ значительно меньше времени запаздывания пробоя очередного промежутка; 2) постоянная времени перезарядки емкостей СЗ через сопротивление R значительно больше общего времени пробоя коммутатора; 57

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Распределение пускового импульса по электродам n/2 ÷n аналогично (2.28). Несмотря на явные преимущества в управляемости и стабильности времени включения, многоэлектродные разрядники пока не получили широкого распространения. Это связано, повидимому, с их сравнительно сложной конструкцией – необходимостью тщательной регулировки промежутков малой длины, сложностью использования подсветки, сильным влиянием эрозии электродов на характеристики разрядника и т.д. Газонаполненные металлокерамические разрядники высокого давления. Выпускаемые промышленностью разрядники высокого давления серии Р-48, Р-43, Р-49 и др. с металлическим корпусом и конусообразным изолятором, своей вершиной направленным внутрь корпуса (что позволило повышать давление газа внутри разрядников до 4 МПа), широко используются в качестве коммутаторов разрядных RLС-контуров. Попытки использовать промышленные разрядники Р-48 и Р-49 в каскадных ускорителях типа АРСА показали, что, работая в более напряженном режиме (разрядный ток, энергозапас и время нарастания напряжения на электродах в 2-3 раза больше, чем в аппаратах МИРА), они не обеспечивали надежное последовательное срабатывание каскадов генератора Маркса из-за большого разброса пробивных напряжений их искровых зазоров. Быстрое загрязнение изоляторов сокращало ресурс работы разрядников Р-48 и Р-49. Для уменьшения разброса пробивных напряжений и увеличения ресурса работы этих разрядников была проведена их модернизация, заключавшаяся в очистке поверхности изолятора от загрязнений с помощью химического травления и замене рабочего газа азота на водород. Это позволило избавиться от загрязнения изолятора нитридами вольфрама, образующимися в искровом разряде при оплавлении электродов, и повысить ресурс работы. Нанесение на рабочую часть поверхности катодного электрода кольцевых, концентрически расположенных неглубоких канавок и образование при этом кольцевых выступов позволило увеличить автоэмиссию электронов, которые в предпробойной фазе дают начало электронным лавинам, стабилизирующим разряд. Такая частичная модернизация позволила несколько улучшить характеристики промышленных разрядников, однако несовершенство конструкции металлокерамического узла разрядников Р-48 и Р-49 (тонкий высоковольтный вывод, соединение изолятора с боковой стенкой

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

корпуса) не обеспечивало равномерности электрического поля вдоль поверхности изолятора.

Это ограничивало его электрическую прочность. Кроме того, полусферическая форма электродов не позволяла существенно повысить стабильность пробивных напряжений разрядников. В этой связи были разработаны более совершенные разрядники РИМ 100/35 и РИМ 200/50. пригодные к использованию как в ускорителе АРСА, так и в импульсных аппаратах на основе трансформатора Тесла. На рис. 2.11 приведена конструкция одного из этих разрядников. Практика работы показала, что электропрочность металлокерамических разрядников определяется оптимальным соотношением между диаметрами высоковольтного вывода 6 и корпуса 1 [66], оптимальным углом наклона образующей изолятора 3 и профилем высоковольтного вывода 6, Рис. 2.11. Конструкция обеспечивающими равномерность разрядника РИМ 200/50: 1распределения электрического поля корпус; 2-электрод; 3- изолятор; вдоль поверхности изолятора. Кроме 4 – манжета; 5 – переходник; того, соблюдение экспериментально 6 – высоковольтный вывод; найденных оптимальных соотношений между 7 – электрод; 8 – крышка; межэлектродным зазором S1, 9 – штуцер; 10 –штенгель диаметром рабочей части электрода D (т.е. части его поверхности, непосредственно участвующей в искровом разряде) и расстоянием между электродом и корпусом разрядника S2 исключает искровые разряды вне межэлектродного зазора: S1 ≤ 0,5D,

Разрядник РИМ 200/50 имеет электроды по профилю Брюса, что при наличии стабилизирующих канавок на катоде существенно уменьшает разброс пробивных напряжений. Высоковольтный вывод имеет профиль, показанный на рисунке (2.11), что вместе с некоторым удалением большего торца изолятора от боковой стенки корпуса повышает электрическую прочность конического изолятора на 20-25% по сравнению с промышленным разрядником Р-49. При 59

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

межэлектродном зазоре 3,5÷4 мм и давлении водорода 3,5÷4 МПа разрядник РИМ 200/50 обеспечивает следующие характеристики: пробивное напряжение – 220 кВ; коммутируемый ток – 2 кА; коммутируемая энергия – 1Дж; ресурс работы – >106; время коммутации – 10 12 А/с. Конструкции твердотельного разрядника показаны на рисунках 2.15 и 2.16.

Рис. 2.15. Разрядник с твердым диэлектриком: 1 — высоковольтная шина; 2 – металлическая обойма для вставки капсюля-детонатора (КД); 3 – перекрестие из проволочек; 4 – электрод поджига; 5 – изолирующая втулка; 6 – шина к нагрузке; 7 – диэлектрик

Рис. 2.16. Сечение твердотельного разрядника: 1,2 – плиты разрядника; 3, 4 – съемные фланцы; 5, 6 – защитные алюминиевые фольги; 7 – основная сменная изоляция; 8 – сменная изоляция поджигающего промежутка; 9 – сменный фольговый электрод; СП и РП – цепь поджига

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Толщина изоляции h = 1 – 3 мм, UP = 100 кВ и выше. В металлическую обойму 2 вставлен либо КД, либо перекрестие из проволочек 3. На проволочки разряжается конденсаторная батарея W = 20 кДж, и они взрываются, разрушая диэлектрик, затем развивается пробой по трещинам. Для уменьшения индуктивности используется несколько детонаторов, чтобы зажечь несколько параллельных искр. Недостатком является требование по технике безопасности из-за использования КД. Разряд, возникающий в отверстии пленки 8 (рис. 2.16), при подключении заряженного конденсатора с помощью управляющего разрядника РП вызывает испарение участка фольги и прорыв основной изоляции 7. Для уменьшения эрозии электроды снабжаются съемными фланцами с отверстиями для выброса газов 3,4, а поверхности фланцев после серии разрядов зачищают. Чтобы исключить самопроизвольный пробой основной изоляции в результате появления неровностей на поверхности фланцев, на последние перед каждым разрядом накладываются защитные алюминиевые фольги h = 20 мкм (5,6 на рис. 2.16). Для получения расчетных характеристик твердотельного разрядника развита электродинамическая модель, согласно которой магнитное поле разрядного тока, воздействуя на электроразрядную плазму, заставляет расширяться ее в сторону основной изоляции и ускорять полиэтиленовый столбик диаметром, равным диаметру отверстия в пеленке d, и высотой, соответствующей толщине основной изоляции h

2 П ⋅ t З ) + Cos(2ω П t З ) − 1

= 3 ⋅ 1012 ⋅ ω П ⋅ d ⋅ h1,75 / (I П ⋅ U О ).

Это выражение описывает зависимость времени запаздывания срабатывания tЗ от параметров пробоя с погрешностью порядка погрешности измерения в диапазоне 10–100 кВ. Таблица 2.6. Расчетные и экспериментальные значения tЗ для разрядника ствердой изоляцией UO , кВ

tЗ , мкс Расчет 1,6 1,0 0,8

Эксперимент 1,5 0,8 0,6

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Игнитронные разрядники. Коммутация тока в ГИТ миллисекундного диапазона низкого давления и среднего уровня напряжения может осуществляться игнитронными разрядниками, которые серийно выпускаются промышленностью. Игнитронные разрядники допускают колебательный разряд. Катодом в них служит ртуть на дне колбы прибора и разряд происходит в парах ртути (р ≈ 0,1 Па). Для управления на управляющий электрод подается высоковольтный импульс напряжения 2÷3 кВ, при токе – 200÷300 А, который вызывает начальную эмиссию электронов с катода и обеспечивает формирование дугового разряда в парах ртути. Падение напряжения на нем

100 В. Игнитронные разрядники имеют следующие достоинства: Коммутируемые импульсные токи – 100÷300 кА; диапазон рабочих напряжений от 100 В до (10÷50) кВ; имеют большую пропускную способность по заряду (Q = 100 Кл); большой срок службы; частотный режим; герметичность, бесшумность, малую стоимость. В установках Шива-Лазер использовано 60 таких разрядников для коммутации батареи 10 кВ с запасом энергии 20 МДж. Однако у них есть и некоторые недостатки: небольшая скорость нарастания тока 2⋅1010 А/с; при протекании тока и большого заряда из-за понижения электрической прочности увеличивается разброс в срабатывании. Таблица 2.7 Основные характеристики игнитронных разрядников Наименование UO min –UO max, кВ ИРТ — 1 0,1 — 10 ИРТ — 6 0,1 — 25

I max , кА 100 100

Ресурс N ν, имп/мин 104 5 4 10 5⋅10

Полупроводниковые коммутаторы (тиристоры) пока используют лишь для коммутации низковольтных ГИТ миллисекундного диапазона, работающих при небольшом токе. Однако перспективы использования полупроводниковых приборов по мере роста их параметров трудно переоценить. Вакуумные разрядники.Простейший вакуумный разрядник – это цилиндрическая камера из изолирующего материала, закрытая с торцов металлическими дисковыми электродами 1 (рис. 2.17). Откачка разрядника осуществляется через отверстие в одном из цилиндров. Различают секционированные и несекционированные разрядники. Секционированный разрядный промежуток разделен металлическими перегородками на несколько небольших 68

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

последовательно включенных промежутков. Давление в разряднике порядка (0,1–1)Па. Материал изоляционного корпуса – оргстекло, так как оно способно самоочищаться. Поэтому разрядник сохраняет высокое значение статического разрядного напряжения. В СПбГТУ разработано несколько разрядников, у которых разрядные промежутки несекционированные, корпус выполнен из оргстекла, разряд инициируется в Рис.2.17. Двухкамерный секционированнескольких местах на ный вакуумный разрядник: 1 – электроды; 2 – оргстекло; поверхности изоляционного 3 – вакуумная система корпуса. Это способствует быстрому развитию разряда вдоль поверхности корпуса и обеспечивает малое tЗ и равномерное формирование разряда вдоль корпуса разрядника. Для работы при напряжении до 100 кВ используют разрядники двухкамерные и с секционированным корпусом (рис. 2.17) . Вакуумные разрядники имеют: — широкий диапазон работы по напряжению (UО min ≈ 1 кВ) при относительно малых tЗ и σ. Поэтому их можно использовать при параллельном включении в основном режиме и режиме кроубар; — малую индуктивность из-за объемного характера разряда в процессе коммутации; — возможность многократной коммутации больших разрядных токов ( около 1 МА), так как при имеющей место плотности тока на электродах их эрозия невелика.

Таблица 2.8. Характеристики вакуумных разрядников Тип UO max – — UO min , кВ разрядника Секционированный 30 –1 Несекционированный 30 — 1 С секционированным 100 — 1 корпусом

I max , кА 2000 2000 1500

Q, Кл/им 20 4 700

Ресурс N 103 103 104

tЗ , нс 200 200 200

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Параллельная работа разрядников. Коммутация токов 107 – 108 А осуществляется несколькими параллельно работающими разрядниками. Синхронность работы важна как для эффективного использования энергии, так и безаварийной работы ГИТ. Надежная параллельная работа разрядников обеспечивается в ГИТ их развязкой во времени с помощью кабелей. Параллельная работа может быть обеспечена при условии 2l/ν > 2tασ, где l – длина кабеля задержки; ν — скорость распространения электромагнитной волны в кабеле; 2tα — двухсторонний доверительный интервал нормального распределения, соответствующий надежности срабатывания разрядника α в интервале задержки 2l/ν. Значение α определяется из соображений о допустимой вероятности где несрабатывания какого-либо из разрядников ГИТ. Р = 1 — αn, n – число параллельно включенных разрядников. Таким образом, необходимая развязка во времени определяется статической характеристикой разрядников σ, их числом и требуемой надежностью их параллельной работы. Как показывают оценки, для обеспечения параллельной работы 100 разрядников с σ =20 нс требуется задержка около 150 нс (15 м кабеля) при допустимой вероятности несрабатывания разрядников 0,05. В случае, если tЗ и σ примерно постоянны в некотором интервале напряжений от UO max до UO min, то необходимо учесть допустимость снижения U на несработавшем разряднике до UO min за счет изменения напряжения по мере срабатывания остальных разрядников. Тогда надо использовать меньшую длину кабеля. Для разрядников со слабой зависимостью σ от U вплоть до1 кВ, как у вакуумных разрядников, соображения о выборе длины кабеля весьма грубые. В ГИТ предельно малой, небольшой и средней энергии возникает проблема уменьшения индуктивности всех элементов, в том числе и разрядников. Удобно в качестве соединительных элементов использовать широкие шины с малоиндуктивными твердотельными или многоканальными разрядниками. Твердотельные разовые разрядники используются в ГИТ небольших энергий. Значительно удобнее эксплуатировать многоканальные разрядники. Физически образование и развитие параллельных каналов возможно из-за конечной скорости роста проводимости каналов и, 70

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

следовательно, конечного времени (

10 нс) уменьшения на них напряжения. Если разброс во времени формирования каналов много меньше этого времени (

1 нс), то все каналы могут развиться. Однако из-за трудности обеспечения таких малых разбросов важное значение приобретает дополнительная небольшая (

несколько нс) задержка изменения напряжения. Это можно сделать с помощью небольшого конденсатора, включая его параллельно нагрузке. Роль конденсатора может выполнить емкость сборных шин ГИТ или емкость плоских соединительных шин. Аналогичный эффект дает шунтирование разрядников малоиндуктивными конденсаторами малой емкости. Для многоканальной коммутации чаще всего используют

Рис. 2.18. Многоканальный разрядник рельсового типа: 1 – конденсаторная батарея; 2,7 – плоские шины; 3,6 – основные электроды: 4 – управляющий электрод; 5 – обостряющий разрядник; 8 – изоляция шин; 9 – нагрузка; С – дополнительная шунтирующая подпитки начальных каналов

емкость (25 пФ) для

каскадные разрядники с искажением поля. Каскадный разрядник рельсового типа показан на рисунке 2.18. Электроды цилиндрического или полуцилиндрического вида имеют длину (1 ÷ 2) м. Для обеспечения малых σ необходимо использовать амплитуду поджигающих импульсов в 2 – 3 раза больше U0 при возможно большей скорости нарастания напряжения (> 1013 В/с). Для этого используется разрядник – обостритель 5 (рис.2.18). Разрядники различных типов позволяют создавать системы коммутации ГИТ предельно малой индуктивности. Основными проблемами остаются следующие: обеспечение надежной работы большого числа включенных разрядников; увеличение срока службы разрядников; обеспечение многоканальной коммуникации в газовых управляемых разрядниках.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

2.3.4 Псевдоискровые разрядники Псевдоискровые разрядники разработаны в Институте сильноточной электроники СО РАН совместно с научнопроизводственным предприятием «Импульсные технологии» (г. Рязань) на основе фундаментальных исследований в области физики газового разряда. Приборы предназначены для коммутации сильноточных высоковольтных импульсов в нано- и микросекундном диапазоне времен и могут использоваться в качестве ключевых элементов в источниках питания лазеров, установках для получения плазменного фокуса, установках по очистке воды и газов, медицинской аппаратуре, геологии, нефтедобыче и т.д.

Рис. 2.19 Семейство псевдоискровых разрядников

Приборы изготавливаются в отпаянном виде и имеют керамический корпус, что обуславливает их высокую механическую прочность. Рабочее давление газа в коммутаторе обеспечивается встроенным генератором водорода. Принцип действия приборов основан на разряде низкого давления, возбуждаемом в системе с полыми электродами. Использование данной формы разряда наряду с оригинальными конструкциями электродов и узлов поджига позволило получить следующие уникальные характеристики приборов: • крутизна нарастания коммутируемого тока до • 1012 А/с • стабильность срабатывания

1 нс • полный заряд до 106 Кл

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Рис.2.20 Схема псевдоискрового разрядника ТДИ1-150к/25. 1 — керамический корпус, 2 — катод, 3 — анод, 4 — катодный фланец, 5 — анодный фланец, 6 — генератор водорода, 7 — верхний фланец, 8 — экран, 9-11 — узел поджига, 12 — катодная полость.

Рис.2.22 Схема псевдоискрового разрядника ТПИ1-10к/50. 1 — анод вспомогательного тлеющего разряда, 2 — полый катод вспомогательного тлеющего разряда, 3 — основной катод, 4 — промежуточный (заземленный) электрод, 5 — основной анод, 6 — потенциальный анод

В настоящее время выпускается около 10 типов псевдоискровых разрядников, позволяющих коммутировать токи от 100 А до 150 кА. при напряжении до 100 кВ. • Основные преимущества • В отличие от искровых и вакуумных коммутаторов, а также мощных водородных тиратронов псевдоискровые разрядники обладают следующей совокупностью свойств: • возможность коммутировать импульсы тока положительной и отрицательной полярности 73

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

• возможность работы как при положительном, так и при отрицательном напряжении, подаваемом на анод • высокая стабильность срабатывания • продолжительный срок службы • относительно невысокая цена • простота конструкции По своим параметрам наиболее близко к псевдоискровым разрядникам расположены мощные водородные тиратроны и тиратроны с заземленной сеткой, выпускаемые фирмами EEV (Великобритания) и EG&G (США). Однако, данные приборы обладают существенно более высокой ценой. 2.4 Коммутирующие устройства индуктивных накопителей энергии Развитие исследований в области управляемого термоядерного синтеза привело к значительному росту масштабов установок и увеличению запасаемой энергии и мощности их систем питания. Необходимость в импульсных источниках, способных генерировать импульсы с энергозапасами 107 – 109 Дж при мощности 1010 – 1012 Вт потребовала развития мощной импульсной энергетики, в частности, импульсных Рис. 2.24. Графики токов и напряжений при с двухступенчатой коммутации на активную источников индуктивными нагрузку накопителями энергии. Время накопления энергии 1 – 10 с, поэтому для коммутируемых токов в десятки и сотни кА требуется высокая термическая устойчивость контактных элементов, а следовательно, их больших масс и сечений. Время коммутации при этом должно быть 10-5 – 10-3 с, что может быть достигнуто только при минимизации масс контактных элементов коммутатора. Таким образом, требования к высокой термической устойчивости аппарата в процессе накопления 74

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

энергии и высокому быстродействию при ее выводе противоречат друг другу, и практически их реализация в одном аппарате в большинстве случаев является исключительно сложной инженерной задачей. Поэтому широко используются двух – и многоступенчатые системы коммутации, в которых функции термоустойчивости и быстродействия выполняют отдельные ступени коммутаторов. Графики токов и напряжений, иллюстрирующих работу двухступенчатого размыкателя при чисто активной нагрузке, приведены на рисунке 2.24: I к1 , I к 2 , U к1 , U к 2 — токи и напряжения первой и второй ступени соответственно; t1 – время накопления; t2-t1 – время коммутации первой ступени; t3-t2 – время восстановления электрической прочности первой ступени; t4-t3 – время коммутации второй ступени. Разнообразие требований, предъявляемых к коммутационной аппаратуре в зависимости от параметров, режима работы, назначения импульсного источника энергии, определяет необходимость исследования и применения различных методов коммутации и принципов построения коммутирующих устройств. Все методы коммутации можно условно разделить на 2 основных направления: дуговая коммутация, сопровождающаяся возникновением дуги в контактном промежутке с последующим ее гашением, и бездуговая коммутация, когда в процессе коммутации созданы условия, исключающие возможность возникновения дугового разряда. Коммутирующие устройства с бездуговой коммутацией. На рис 2.25 приведена схема размыкателя с бездуговой коммутацией. Рис. 2.25. Схема размыкателя, Индуктивный накопитель синхронизированного с паузой тока LИН заряжается через дроссель DР – размыкатель Р, при этом дроссель насыщен, и индуктивность его мала. При замыкании К предварительно заряженная емкость С создает в цепи размыкателя ток, противоположно направленный току накопителя. При достижении разностным током значения, соответствующего излому кривой намагничивания, дроссель переходит в ненасыщенное состояние, и его L возрастает. В цепи дроссель – размыкатель создается интервал «нулевого» тока, во время которого происходит размыкание цепи и 75

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

восстановление электрической прочности контактного промежутка. Ток в цепи размыкателя уменьшается в 1000 раз, осуществляется бездуговая коммутация, и нет потерь на контактах размыкателя. Дополнительную емкость можно выбрать из условия I ⋅t C≥ 0 п, 2U c0

где U c0 = I 0 ⋅ Rн — напряжение заряда батареи; I0 – коммутируемый ток. Запас энергии батареи, необходимый для формирования паузы тока tП, в этом случае равен WC = 1/4⋅PP⋅tП , где РР – разрывная мощность размыкателя. Для увеличения быстродействия размыкателя, а следовательно, и сокращения паузы тока, необходимо повышение скорости образования межконтактного промежутка и применение сред с высокой электрической прочностью. Средняя скорость образования межконтактного промежутка в атмосфере азота под давлением 1,5 – 2,0 МПа для восстановления электрической прочности 20 кВ за

10-4 с должна быть 50 – 60 м/с. Получение таких скоростей требует применения очень быстродействующих систем привода и, учитывая большие массы контактных элементов, сложных устройств для гашения скорости. Метод реостатной коммутации основан на перетекании тока из одной параллельной ветви в другую при изменении сопротивления одной из ветвей. Наиболее известные устройства, реализующие реастатную коммутацию, это взрывающиеся проводники и фольги. В этом случае изменение сопротивления происходит с разрушением проводников и возникновением дугового разряда. Бездуговая реостатная коммутация может быть осуществлена при применении неразрушаемых термических нелинейных резисторов, изготовляемых из стальной ленты марки ОЗКП. Кратность сопротивления достигает 70 при изменении сопротивления от температуры жидкого азота до 7000 С. Удельная энергоемкость

400 кДж/кг. При накоплении энергии RОК > RH . Коммутирующие устройства с дуговой коммутацией. Известные способы гашения разряда делятся на два основных направления: • гашение разряда противотоком; • создание условий неустойчивости шунтируемого сопротивлением. 76

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

В аппаратах при гашении разряда противотоком при размыкании полного тока образуется дуга, длительность горения которой определяется интервалом времени, необходимым для образования межконтактного промежутка, обеспечивающего необходимую электрическую прочность в условиях отсутствия дуги (рис. 2.26).


Рис. 2.26. Схема гашения разряда противотоком (а), стилизованная картина тока и напряжения (б)

После этого с помощью внешнего импульсного источника в коммутируемой цепи создается противоток, который и гасит дугу. Во время (t1–0) ток через размыкатель P0 равен I0 , ключи К1 и К2 разомкнуты. В момент времени t1 ключ К1 замыкается, емкость С1 разряжается в контуре через P0 и К1, формируя ток I к1 . Скорость нарастания подавляющего тока I к1 определяют параметры контура L1, C1. В момент времени t2 ток через I p0 = 0; ток через размыкатель

Рис.2.27. Схематическое изображение вакуумного выключателя: 1−керамический корпус; 2−экран; 3−вакуум; 4−электроды; 5−мембрана

коммутатор I к1 = I0 . В это время контакты P0 разомкнуты и С1 заряжается но уже напряжением обратной полярности. При замыкании ключа К2 в момент времени t 3 ток протекает через нагрузку. В системе гашения противотоком может быть использовано любое выключающее устройство, однако наибольший интерес представляют вакуумные выключатели, атмосфере 77

выключатели и работающие в элегаза (SF6).

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Схематическое изображение вакуумного выключателя приведено на рис. 2.27. Сопротивление контактов равно 10÷35 Ом, время коммутации t ком. — 3÷15 мкс, время деионизации плазмы tразм – 1000 мкс. При втором способе гашения дуги размыкатели, как и большинство размыкателей с дуговой коммутацией, имеют механические контакты, обеспечивающие минимальные потери в процессе накопления. Для перевода тока в нагрузку или шунтирующий элемент контакты разводятся или разрушаются (для взрывных размыкателей), в образовавшемся межконтактном промежутке возникает дуга, которая гасится за счет создания условий неустойчивости горения дуги, шунтированной сопротивлением. Необходимым условием коммутации является превышение напряжения на дуговом разряде над падением напряжения на нагрузке, что возможно из-за удлинения ее или охлаждения (или то и другое). Такое изменение в области дуги приводит к ее неустойчивости и в результате к переключению тока в нагрузку. На практике для токов I ≈ 100 кА и напряжений U = 50 кВ требуется удлинение дуги l ≈ 3 ÷ 5 м, что невозможно осуществить реально. При использовании взрывных размыкателей, где дугогашение осуществляется диэлектрической средой (парафином, маслом), коммутируемые токи равны 105 А при напряжении несколько кВ. В этом случае необходимы только многозазорные взрывные размыкатели с интенсивным гашением дуги промежуточной диэлектрической средой. Тогда напряжение можно поднять до 50 кВ при токе I = 105 А. Условия гашения дуги значительно улучшаются при двухступенчатой коммутации (рис 2.24). Например: на I ступени – механический контактный выключатель с дуговой коммутацией. Весь ток на стадии накопления протекает через него. После разрыва контактов возникает дуга. Одновременно приводится в движение диэлектрическая среда (газ, жидкость) с высокой дугогасящей способностью. Дуга удлиняется и охлаждается, это приводит к росту напряжения на дуге и непрерывному перетеканию тока в параллельную цепь, начальное сопротивление которой R20 > RН, RН >> RГ и L1 >> L2. Для получения больших значений 80

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

коэффициента передачи энергии от накопителя к нагрузке сопротивление RП должно быть больше всех других сопротивлений цепи. Индуктивности выбираются так, чтобы в L1 накапливалась значительная энергия, а малая L2 обеспечивала быстрое нарастание тока в цепи нагрузки. Из уравнений (2.39) и (2.40) следует, что ток переключения IП = I1 – I2 определяется как I п ( t ) ≈ I 0 ⋅ exp

т.е. время переключения τП = τ+ . Поскольку τ+ > 1. Из (2.42), полагая напряжение на нагрузке U H = PRH , а напряжение генератора при разряде длинной линии U Г = I 0 L1 / C1 , получим коэффициент умножения напряжения U H RH L1 ⎡ 2 ⎤ ( ) ⎢1 − (ln x + 1)⎥ = UГ ρ L1 + L2 ⎣ x ⎦

I0=U0/RГ. Из (2.43) видно, что при L1+L2≈L1 где ρ = L1 / C1 , коэффициент умножения напряжения пропорционален RH/ρ и выражению в квадратных скобках в степени 0,5, которое может использоваться только при х≥10 и при этом его значение близко к 1.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

2.4.1 Размыкатели, основанные на использовании электрического взрыва проводников Одним из распространенных типов размыкателей тока для индуктивных накопителей энергии являются коммутаторы, основанные на использовании электрического взрыва проводников (ЭВП). Явление, известное в физике как электрический взрыв проводника, представляет собой резкое изменение его физического состояния под действием импульсного электрического тока большой плотности, приводящее к исчезновению металлической электропроводности и сопровождающееся характерными для взрывов эффектами – излучением и образованием ударных волн. Схема генератора с LC -контуром и ЭВП приведена на рис.2.30. При замыкании ключа К1 ток от накопителя с емкостью C, заряженной до напряжения U0, течет через индуктивность L и ЭВП. Нагрузка отделена ключом К2. По мере протекания тока проводник нагревается и плавится. На осциллограмме (рис.2.31) напряжения до времени t1, проводник переходит в жидкое состояние, и в момент t1 начинается собственно взрыв проводника. При этом сопротивление ЭВП возрастает на несколько порядков, что приводит к резкому снижению тока и генерированию импульса напряжения на индуктивности L. Если электрическая прочность продуктов ЭВП выше амплитуды генерируемого напряжения, то ток отключается полностью (момент t2), и наблюдается пауза тока (t3 — t2), длительность которой определяется оставшимся на батарее напряжением и скоростью расширения продуктов ЭВП. Если разрядник К2 (рис. 2.30) настроить

Рис.2.30. Схема источника с ЭВП прерывателем]

Рис.2.31. Осциллограмма тока и напряжения на ЭВП

так, чтобы он пробивался генерируемым при взрыве напряжением, ток переключится на нагрузку, и напряжение на ней может в несколько раз превысить зарядное напряжение конденсаторной батареи.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Метод подобия, позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью оптимизировать схему по выбранному параметру и рассчитать основные ее характеристики, такие как амплитуда и длительность импульсов тока и напряжения, энергия, передаваемая в нагрузку и др. LC -контур со взрывающимся проводником (ВП) характеризуется рядом величин: индуктивностью L, емкостью С, зарядным напряжением U0, диаметром проволочек d, их длиной l, количеством n, общим сечением S. В набор также входят величины, характеризующие материал проволоки: удельное сопротивление ρ, удельная энергия сублимации (или связи) на единицу объема еS, удельное действие взрыва h (это величина

dt , где tВ – момент

взрыва, I – ток через ВП). V – характерная скорость разлета вещества при взрыве. Из этих величин можно составить три безразмерных комплекса подобия: П1 =

где Z = L / C — характеристическое сопротивление LC -контура; S = π⋅ n⋅ d2/4 – сечение проводников, n – число параллельных проводников. Безразмерные величины, определяющие поведение ВП в ходе взрыва, на стадии нагрева (до начала собственно взрыва или начала напряжения) зависят от первых двух критериев, а на стадии собственно взрыва – от всех трех. Эти безразмерные величины можно записать в следующем виде: y=

τ = t / L ⋅ C — время,

U W — напряжение, — энергия W0 U0

(по отношению к запасенной в контуре W0 =

C ⋅ U 02 W ) или 2 S ⋅ l ⋅ es

энергия (по отношению к энергии сублимации) и ряд других. Таким образом можно записать, например: уm = f1( П1 , П 2 ),

Um = f 2 ( П1 , П 2 , П3 ) U0

Здесь уm – максимум тока, Um – максимум напряжения. Если исследовать один металл, то в комплексах постоянные ρ0, е0, ν0, характеризующие металл, можно опустить, тогда получится три размерных параметра: 83

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Начальные факторы имеют размерность: l и d – мм,

L – мкГн, L ⋅ C — мкс. Характеристики контура LC с ЭВП моделируются параметрами (2.45) с погрешностью 20 % в широкой области изменения начальных факторов: U0 = 1÷500 кВ, C = 0,1 ÷ 2000 мкФ, L = 0,4 ÷ 50 мкГн, n = 1 ÷ 80, d = 0,04 ÷ 1 мм, l = 4 ÷ 2600 мм. До начала взрыва характеристики зависят только от λ и ε. Формулы имеют степенной вид

= B ε ⋅10 − 6 ⋅ λ1 / 3 ,

α I ⋅Z уm = m = A ε ⋅10 − 6 ⋅ λ1 / 3 , U0

где Im — амплитуда тока в контуре;

tm — время до максимума тока.

Коэффициенты А и В и показатели α и β имеют значения, приведенные в таблице 2.9 Таблица 2.9 Материал

Наибольшая скорость роста сопротивления ЭВП и мощности достигаются при длине проводника, близкой к критической. Критическая длина проводника lк обеспечивает паузу тока нулевой длительности. С изменением длины l в (2.45) изменяется только параметр λ, причем минимальное значение l определяется прочностью перекрытия по поверхности проводника до его взрыва, а 84

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

максимальное – из условия, что проводник не взрывается, если введенная энергия недостаточна для взрыва. Для медных проводников выражение критической длины имеет вид

= 1,35 ⋅ 10 3 10 − 6 ⋅ ε ⋅ν

Поглощенная проводников энергия Wn = 0,5 ⋅ W0 (10 −6 ⋅ ε ) −0,5 .

Ток в момент максимума напряжения при λ = λк I м = 0,75U 0 (10 −6 ⋅ ε ) 0,3 / Z .

Таким образом, можно рассчитать характеристики LC — контура с ЭВП к моменту максимума тока, максимума напряжения и др. Кроме того, можно выбрать тип взрыва с паузой тока, без нее, с паузой тока нулевой длительности. При переключении контура с ЭВП на активную нагрузку к параметрам (2.45) добавляются еще два: момент подключения нагрузки и ее сопротивление. Кроме того, анализ полученных зависимостей позволяет определить максимальную мощность, развиваемую в ИН с ЭВП — прерывателем тока на активной нагрузке. 2.4.2 Плазменные прерыватели тока В настоящее время существует три вида прерывателей, скорость нарастания сопротивления которых обеспечивает длительность импульса

100 нс: электрически взрываемые проводники, полупроводниковые прерыватели и плазменные прерыватели тока. Полупроводниковые прерыватели могут работать в частотном режиме, но имеют ограничения по коммутируемой мощности; недостатком электрически взрываемых проводников является необходимость замены прерывателя после каждого импульса.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

ППТ представляет собой плазменный диод, импеданс которого зависит от времени и определяется величиной как пропускаемого через него тока, так и перенесенного заряда. Рис. 2.32. Схема ускорителя на основе Генератор на основе ППТ – это ППТ: С – емкость ГИН; LН и LВ – LC — контур, замкнутый через наружная и вакуумная части ППТ, параллельно которому накопительной индуктивности; включена нагрузка RД, С – RППТ – импеданс ППТ; LД и RД – емкость ГИН, L – индуктивность индуктивность и импеданс диода всех элементов контура (рис. 2.32). В большинстве установок применяют ППТ с коаксиальными электродами. Расположенные в вакуумном объеме электроды ППТ соединены с ГИН через высоковольтный ввод с изолятором. Изолятор отделяет вакуумный объем ППТ от заполненного жидким или газообразным диэлектриком объема ГИН и делит индуктивность L на две части наружную LН и вакуумную LВ. Наиболее часто применяемые плазменные пушки представляют собой два коаксиальных электрода, разделенных диэлектриком и подключенных к импульсному высоковольтному источнику питания (рис. 2.33). При подаче импульса напряжения на электроды пушки происходит Рис. 2.33. Искровой зазор электрический пробой по поверхности коаксиальной плазменной диэлектрика. Концентрация плазмы пушки: регулируется путем изменения 1 – внутренний и внешний напряжения или емкости источника коаксиальные электроды; питания и интервала времени между 2 – цилиндрическая диэлектрическая вставка; срабатыванием пушек и включением ГИН. 3– пробой по Образовавшаяся при этом плазма поверхности диэлектрика заполняет вакуумный ППТ. Затем включается ГИН, и его электрическая энергия преобразуется в энергию магнитного поля – осуществляется режим проводимости. Длительность режима проводимости τП= ∼ Т/4 составляет около 1 мкс (Т– период контура). Нижняя граница этого диапазона определяется быстродействием LС-контура, верхняя – влиянием приэлектродной плазмы, которая при τП > 2 мкс приводит к

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

увеличению концентрации плазмы в зазоре и его короткому замыканию. Режим проводимости заканчивается, когда ток через ППТ достигает тока обрыва. После этого сопротивление ППТ резко возрастает – осуществляется режим обрыва тока, генерации напряжения и ускорения заряженных частиц. При этом энергия магнитного поля преобразуется в энергию потоков ускоренных ионов и электронов в зазоре ППТ и шунтирующей его нагрузке за характерное время ∼ 10-7 с. В момент обрыва тока возникает скачок напряжения на ППТ UППТ = -LdI/dt= ∼(R/ρ)U0, где R- общее сопротивление ППТ и параллельно включенных элементов (диода, вакуумной линии и изолятора), ρ — волновое сопротивление LC –контура. В настоящее время можно выделить два основных направления развития генераторов с ППТ. Первое – создание генераторов мегаджоульного диапазона для получения тормозного рентгеновского излучения и достижения термоядерных параметров в программах по инерциальному термоядерному синтезу, а также решения задач имитации радиационного воздействия термоядерного взрыва на радиоэлектронную аппаратуру. Второе направление – разработка частотно – импульсных ускорителей для промышленных технологий. 2.4.3 Полупроводниковые прерыватели тока В генераторах мощных наносекундных импульсов используют два способа накопления энергии: в емкостных и индуктивных накопителях. Первый способ основан на накоплении энергии электрического поля в быстрых емкостных накопителях, в качестве которых используются низкоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии с жидким диэлектриком, с последующей передачей энергии в нагрузку через замыкающее устройство – сильноточные наносекундные коммутаторы. Во втором способе накопление энергии происходит в магнитном поле индуктивного накопителя (контур с током), а для ее передачи в нагрузку применяются прерыватели тока. Последний метод наиболее перспективен для развития мощной импульсной техники, поскольку плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях примерно на два порядка выше, чем в емкостных накопителях. С другой стороны, проблема быстрого обрыва большого импульсного тока в техническом плане является существенно более сложной задачей, чем 87

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

проблема коммутации. В наибольшей степени эта проблема выражена при формировании мощных импульсов наносекундной длительности, где прерыватель должен выдерживать напряжение МВ и обеспечивать обрыв тока в десятки и сотни кА за время порядка единиц и десятков наносекунд. Этим требованиям удовлетворяют два основных типа наносекундных прерывателей: плазменные прерыватели тока с наносекундной и микросекундной накачкой и прерыватели тока на основе ЭВП. Однако такие прерыватели либо принципиально не работают в частотном режиме (ЭВП), либо имеют низкую частоту повторения импульсов и ограниченный ресурс из-за эрозии электродов (ПП). Для создания качественно новой мощной импульсной техники, способной выйти на технологические применения, используются индуктивные накопители с твердотельными прерывателями тока, имеющие высокие удельные характеристики и практически неограниченный срок службы. Основная проблема здесь состоит в разработке мощного частотного твердотельного размыкателя тока, способного в наносекундном диапазоне времени отключать кА токи и выдерживать напряжения порядка 10 6 В. В 1983 году профессором И.В. Греховым был предложен и реализован сильноточный режим работы p+-n-n+ структуры с плотностью обрываемого тока 200 А/см2 и временем обрыва около 2 нс и рабочим напряжением 1 кВ. Такие диоды получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ). Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни нс) в базе р-n перехода создает тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у p-n-перехода с одновременным дрейфовым выносом дырок из остальной части базы. Подбором параметров структуры (длина базы и уровень легирования) и режима накачки (длительность и плотность тока) достигается условие, когда к моменту удаления из структуры всех неравновесных носителей плотность дрейфового тока достигает максимального значения для данного уровня легирования базы. При выполнении этого условия процесс обрыва обратного тока представляет собой удаление из базы равновесных носителей с максимально возможной скоростью насыщения порядка 107 см/с. В связи с этим ДДРВ имеет ограничение по плотности тока через структуру. Для получения обратных напряжений на структуре около 1-2 кВ уровень донорной 88

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

примеси в базе не может превышать 1014 см-3 , что на стадии отключения соответствует максимальной плотности тока около 160200 А/см2. Однако путем увеличения площади структуры и создания сборок из последовательно соединенных структур возможно увеличение рабочих параметров прерывателя по току и напряжению. Рекордными параметрами для последовательно соединенных ДДРВ являются импульсы с амплитудой напряжения 80 кВ, током 800 А и частотой следования 1 кГц. Основное противоречие, препятствующее разработке мощного наносекундного полупроводникового прерывателя на основе метода токовой инжекции заряда, состоит в том, что процесс обрыва тока развивается в низколегированной базе диода. При этом возможно либо получение наносекундного времени отключения тока с низкой плотностью, которая определяется собственной проводимостью базы, свободной от избыточной плазмы (ДДРВ), либо получение высокой плотности отключаемого тока при его последующем медленном спаде через структуру, база которой заполнена плотной плазмой (выпрямительный силовой диод). Наблюдаемый эффект обрыва тока, названный SOS – эффектом (Semiconductor Opening Switch), отличается от режима работы полупроводниковых прерывателей по первому методу (ДДРВ) следующим: — на два порядка более высокой плотностью тока, которая не может быть объяснена с позиций дрейфового механизма; — неравенством заряда, протекающего в прямом и обратном направлении; — существованием эффекта уменьшения времени обрыва тока в 2-3 раза в сборке из нескольких параллельных диодов по сравнению с одиночным. Физическая картина процессов, полупроводниковом размыкателе (ППР) представлена на рис. 2.34 и рис. 2.35.

Каждый электрик должен знать:  Обслуживание комплектных распределительных устройств

проходящих в на основе диода,

При прохождении через диод типа р+- n — n+ прямого тока I+ происходит инжекция дырок и электронов, которые движутся навстречу друг другу. Подавляющая часть накопленного заряда сосредоточена в высоколегированных областях структуры: электроны – в р+ — области, дырки – в n+ — области. Концентрация носителей в базе достигает значений ∼ 1016 см-3. Кривая 2 (рис. 2.34) соответствует 89

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

току i = 0 после протекания его в течение времени t+ (рис. 2.35). После смены полярности тока через диод начинает течь обратный ток I-, что приводит к уходу основных носителей на р+ и n+ переход при этом в течение времени уменьшается концентрация основных носителей (рис. 2.34, кривая 3,4). В результате основные носители в базе оказываются нескомпенсированными, что приводит к образованию объемного нескомпенсированного заряда. За время t- (рис. 2.35), когда все основные носители ушли в область переходов (рис. 2.34, кривая 5) сопротивление резко возрастает. Скорость роста сопротивления имеет порядок 1010 Ом/с. В этот момент и происходит обрыв тока за время t0 (рис. 2.35), величина которого зависит от характеристик диода и его конструкции и может составлять единицы наносекунд и больше. Существование плазмы в базе к моменту обрыва тока может также объяснять уменьшение времени обрыва тока в сборке из нескольких параллельных структур, поскольку естественный разброс момента времени начала отключения тока в отдельных структурах приводит к нарастанию обратного тока в еще не отключенных структурах, заполненных остаточной плазмой. Резкое усиление обратного тока в структурах, отключающихся последними, ускоряет процесс обрыва тока всей сборки. На рис. 2.36 приведена схема эксперимента по обнаружению эффекта наносекундного обрыва сверхплотных токов.

Рис. 2.34. Полупроводниковая структура кремниевого диода типа р+- n – n+: 1,2 – кривые накопления и движения носителей в диоде при протекании тока I+; 3,4 – кривые, характеризующие уход основных носителей при протекании тока I-; 5 — кривая, характеризующая момент обрыва тока

Рис. 2.35. Осциллограмма тока в диоде: I+ — прямой ток, текущий в течение времени t+;

I- — обратный ток, текущий в течение времени t-; t0 – время обрыва тока

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

На схеме: СМ, UМ – емкость и выходное напряжение генератора Маркса; LМ – индуктивность контура; SOS – полупроводниковый прерыватель тока из кремниевых высоковольтных выпрямителей КЦ 105, КЦ 108, СДЛ 0,4-800. Эти диоды имеют р+- р — n — n+ — типа полупроводниковую структуру, в которой в качестве n — базы используется электронно легированный кремний с 14 -3 концентрацией донорной примеси Nд

10 см . Длина базы составляет 100÷200 мкм, площадь структуры – 0,02÷0,2 см2. Число последовательно соединенных структур зависит от рабочего напряжения диода и может меняться от 14 до 132. Общее число структур при параллельно-последовательном соединении диодов в прерывателе достигало 12000. Эксперименты показали, что в силовом полупроводниковом диоде подбором параметров по плотности тока I+ и времени накачки t+ возможна реализация наносекундного обрыва сверхплотных токов. При этом полупроводниковая структура диода на стадии обрыва тока останется заполненной плотной избыточной плазмой с концентрацией (0,6÷4)⋅1016 см-3, что на 2 порядка превышает исходный уровень легирования базы, t0 –(10÷50) нс, плотность обрываемого тока 10-60 кА/см2. Анализ процессов динамики электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре при плотностях тока и длительностях

Рис. 2.36. Схема эксперимента (а), стилизованная осциллограмма

тока через прерыватель и напряжение на нагрузке (б)

импульсов накачки, характерных для SOS – эффекта, показал следующее:

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

— Удаление всей избыточной плазмы из структуры не является необходимым условием для резкого обрыва обратного тока; — Обрыв тока определяется процессами, происходящими в узких высоколегированных областях р+- р-n — n+ – структуры, свободных от избыточной плазмы, носит динамический характер и может быть не связана с образованием протяженного в пространстве объемного заряда из-за процессов интенсивного лавинного размножения носителей в сильном электрическом поле. Таким образом, качественное отличие SOS — эффекта от других принципов коммутации в полупроводниковых приборах состоит в том, что развитие процесса обрыва тока происходит в узких высоколегированных областях структуры, база которой заполнена плотной избыточной плазмой. Это обстоятельство и приводит к сочетанию высокой плотности обрываемого тока и наносекундного времени его отключения. Одноконтурная схема накачки прерывателя (рис. 2.36) является наиболее простой. Соотношения, связывающие параметры области существования SOS — эффекта с параметрами генератора Маркса, контура накачки и прерывателя тока, получаемые без учета активных потерь, имеют вид J+⋅t+=πCM⋅UM/SД⋅nД,

На рис. 2.37 показаны зависимости плотности тока прямой накачки I+ (кривая 1) и времени обрыва тока t0 (кривая 2) от длительности прямой накачки t+ для диодов СДЛ и КЦ 105. После выбора величины J+, t+ на кривой 1 (рис.2.37), лежащей в области SOS – эффекта, и известной площади структуры одного диода SД по соотношению (2.51) производится согласование параметров генератора Маркса СМ и UМ с числом параллельных диодов nД в прерывателе тока. Количество последовательно соединенных диодов в одной ветви определяется рабочим напряжением одного диодного столба и амплитудой импульса на нагрузке. Максимальное напряжение на прерывателе тока развивается в режиме холостого хода и составляет около 3UМ. Соотношение (2.52) используется для оценки требуемой величины индуктивности контура накачки LМ. 92

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Оно иллюстрирует основное ограничение метода обострения мощности генератора Маркса с сосредоточенными параметрами прерывателем тока на полупроводниковых диодах. При заданных величинах UМ и t+ запасаемая энергия WМ ограничена

Рис. 2.37. Зависимости плотности тока прямой накачки I+ (кривая 1) и времени обрыва тока t0 (кривая 2) от длительности прямой накачки t+ для диодов СДЛ и КЦ 105

минимальной величиной индуктивности разрядного контура. Увеличение WМ без уменьшения LМ приводит к росту t+ и раннему отключению тока до достижения им своего максимального значения. Двухконтурная схема, приведенная на рис. 2.38, содержит раздельные цепи для прямой и обратной накачки прерывателя тока. Схема сложнее, но у нее есть преимущество. С1 и С2 одинаковой емкости. Конденсатор С1, предварительно заряженный до U0, после замыкания ключа S+ разряжается на С2 через L+ и SOS. Ключ S- при этом разомкнут, процесс прямой накачки прерывателя заканчивается при переходе Рис. 2.38. Двухконтурная схема прямого тока через нуль. В этот момент времени ключ S+ размыкается, ключ S- замыкается и в прерыватель начинает вводится обратный ток от конденсатора С2 через индуктивность L-. Разделение контуров позволяет снизить импульсную мощность генератора 93

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

прямой накачки за счет уменьшения прямого тока и увеличения его длительности. Отдельный контур обратной накачки позволяет реализовать режим усиления обратного тока и регулировать скорость его ввода в прерыватель независимо от контура прямой накачки, а скорость ввода обратного тока в прерыватель, работающий в условиях SOS – эффекта, определяет его основную характеристику – время обрыва тока. На основе проведенных исследований SOS – эффекта был разработан ряд наносекундных генераторов и ускорителей с полупроводниковыми прерывателями тока. Генераторы имели выходное Рис.2.39. Схема малогабаритного напряжение от 150 до 450 кВ и генератора со схемой Маркса отличались друг от друга по величине запасаемой энергии на 3 порядка. В качестве питающих устройств использовались генераторы на основе схем Маркса (рис.2.39). Генератор, показанный на рис. 2.39, имеет вес 10 кг, длину 60 см. Четыре ступени напряжением 18 кВ заряжаются в импульсном режиме от тиристорного зарядного устройства. Выходные параметры генератора: С = 0,85 нФ, U = 70 кВ, W = 2 Дж, обрываемый ток

1кА за t = 10 нс, UН = 160 кВ на 50 Гц, RН = 180 Ом . На рис. 2.40 приведена схема более мощного сильноточного наносекундного ускорителя электронов с выходным напряжением до 450 кВ. Вначале подключается контур прямой накачки С+, спустя время задержки включается генератор Маркса, и происходит ввод Рис.2.40. Схема ускорителя электронов с обратного тока в двухконтурной накачкой прерыватель, величина прерывателя тока. которого больше прямого тока в 4-5 раз. Последующий обрыв тока за время t0 приводит к формированию импульса высокого напряжения на диоде ускорителя и генерации электронного пучка. Принципиальное отличие состоит в использовании двухконтурной накачки прерывателя в режиме усиления обратного тока. Масса ускорителя ∼300 кг, габариты 94

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

180х180х80 см. Искровые разрядники выполняют функции разделительных элементов и не участвуют в процессе формирования выходного наносекундного импульса, что снижает требование к величине их индуктивности, времени коммутации tК и стабильности срабатывания ∆ tЗ. Отличием SOS — прерывателей от ЭВП и плазменных является простота, стабильность и возможность работы в частотном режиме. При использовании вместо генератора Маркса систем с магнитным сжатием импульса возможна разработка устройств с полностью твердотельной системой коммутации энергии, в которой полупроводниковый прерыватель тока выполняет функцию оконечного усилителя мощности. Список использованной литературы 1. Кучинский Г.С., Шкуропат П.И., Шнеерсон Г.А. Генераторы больших импульсных токов // Физика и техника мощных импульсных систем: Сб. статей/ Под ред. Е.П. Велихова.Энергоатомиздат, 1987.- С.127-164. 2. Бугаев С.П., Волков А.М., Ким А.А. и др. ГИТ 16: мегаджоульный импульсный генератор с плазменным ключом для нагрузок типа Zпинча // Изв. вузов. Сер. Физика, 1997.- №12.- С.38-46. 3. Бут Д.А, Алиевский Б.Л. и др. Накопители энергии. — М: Энергоатомиздат, 1991. — 400с. 4. Дашук П.Н., Зайенц С.Л., Комельков В.С. и др. Техника больших импульсных токов и магнитных полей/ Под ред. В.С.Комелькова. М: Атомиздат, 1972. — 472с. 5. Авруцкий В.А., Кужекин И.П., Чернов Е.М.. Испытательные и электрофизические установки. Техника эксперимента / Учебное пособие. — М: МЭИ, 1983, — 264с. 6. Коршунов Г.С., Хмыров В.В., Важов В.Ф., Пичугина М.Т. Управляемый искровой разрядник // ПТЭ.- 1974.- № 4.- С.92-94. 7. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электроники. — Новосибирск: Наука, 1987.- 226с. 8. Ларионов Б. А., Столов А.М. Коммутирующая аппаратура для импульсных источников энергии на основе индуктивных накопителей//Физика и техника мощных импульсных систем: Сб. статей / Под ред. Е.П. Велихова.- Энергоатомиздат, 1987.С.105-126.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

9. Шенбах К., Кристиансен М, Шефер Г. Размыкатели для индуктивных накопителей // ТИИЭР.- 1984.- Т. 72.- №2.- С.28-38. 10. Долгачев Г.И, Закатов Л.П, Нитишинский М.С и др. Сверхмощные частотные генераторы с плазменным прерывателем тока // ПТЭ.1999.- № 2.- С.3-26. 11. Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока // ПТЭ.- 1999. — № 4.C 5-36. 12. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносекундные коммутаторы. — Новосибирск: Наука, 1979.- 175с. 13. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. О возможности обрыва большого тока в объемном разряде, возбуждаемом электронным пучком // Письма в ЖТФ.- 1076. — Т.2, вып. 14. — С.644-650. 14. Котов Ю.А., Лучинский А.В. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрываемых проволочках // Физика и техника мощных импульсных систем: Сб. статей / Под ред. Е.П. Велихова.- Энергоатомиздат, 1987.- С.189-210. 15. Азаркевич Е.И. Применение теории подобия к расчету некоторых характеристик электрического взрыва проводников // ЖТФ.- 1973, вып.1.-С.141-145. 16. Азаркевич Е.И., Котов Ю. А., Седой В.С. Условия возникновения паузы тока при электрическом взрыве проводников / ЖТФ, 1975, т. 45, вып. 1, С. 175-177. 17. Колганов Н.Г., Котов Ю.А. Переключение LC — контура на активную нагрузку с помощью ЭВП // Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков / Под ред. Г.А. Месяца. — Новосибирск: Наука. — 1976.- С. 69-75. 18. Котов Ю.А., Калганов Н.Г., Ковальчук Б.М.. Быстродействующие размыкатели на основе электрически взрывающихся проволочек // ПТЭ.- 1974.- №6.- С.107-112. 19. Сахаров А.Д., Людаев Р.З., Смирнов Е.Н. и др. Магнитная кумуляция// Докл. АН ССР.- 1965.- т.165.- №1.- С.65—68. 20. Кравченко А.С., Борискин А.С. и др. Формирование с помощью магнитокумулятивного генератора ВМГ-160 импульса напряжения 1,3 МВ на нагрузке 13 Ом // ПТЭ.- 2000.- №2.- С.70-74. 21. Швецов Г.А. Взрывные МГД-генераторы. Физика и техника мощных импульсных систем // Физика и техника мощных импульсных систем: Сб. статей/ Под ред. Е.П. Велихова.Энергоатомиздат, 1987.- С.253-263. 22. Сипайлов Г.А., Хорьков К.А.. Генераторы ударной мощности. -М: Энергия, 1979.-128с. 96

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

23. Месяц Г.А., Насибов А.С., Кремнев В.В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. — М: Энергия, 1970.- 152с. 24. Смирнов С.М., Терентьев П.В. Генераторы импульсов высокого напряжения. -М: Энергия, 1964.- 138с. 25. Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel principle of transient high voltage generation// Proc. IEEE Electronics Power Science and General. -1964. -Vol. 111.- №4.- Р 849 26. Козлов М.И., Гершенкрой И.Л., Гошуренко В.И. и др. Генератор импульсных напряжений с необратимым перезарядом ступеней и автоматическим

С.109-110. 27. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Ким А.А. и др. Быстрый первичный накопитель на основе генератора Аркадьева-Маркса // Известия ВУЗов. 1997.-№12.- С.17-24. 28. Воеводин С.В., Горохов В.В., Карелин В.И. Малогабаритный высоковольтный наносекундный генератор Аркадьева- Маркса на воздушных разрядниках // ПТЭ.- 2000.-№3.- С.67-71. 29. Герасимов А.И., Федоткин А.С., Зенков Д.И. и др. Надежный экранированный генератор Аркадьева-Маркса на 500 кВ и 6,25 кДж со стабильным временем задержки срабатывания // ПТЭ.- 1998.- №1.- С.96-101. 30. Басов Г.Ф., Бастриков А.Н. др. Генератор мощных мегавольтных импульсов с наносекундным фронтом // ПТЭ. — 1995. — №2.С.117-121. 31. Бочаров Е.А., Гладков В.С., Зябко Ю.П. и др. Высокоскоростной источник заряда 5-мегавольтного формирователя импульсов напряжения наносекундного диапазона // ПТЭ.- 2001.- № 4.С.88-93. 32. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М: Сов.радио. — 1974. — 256с. 33. Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов / Под ред. Г.А. Месяца. -Новосибирск: Наука.- 1974.86с. 34. Авилов Э. А., Юрьев А. Л. Газонаполненные металлические разрядники высокого давления. // ПТЭ.- 2000.- №2.- С.78-81. 35. Юдаев Ю.А.. Повышение быстродействия импульсных газоразрядных коммутаторов при управлении высоковольтными наносекундными импульсами //ПТЭ.- 1997.- №5..- С.55-60.

кафедра ТЭВН ЭЛТИ ТПУ

Содержание Введение…………………………………………………………………………. 1. Накопители энергии…………………………………………………………..4 1.1 Емкостные накопители энергии………………………………………….4 1.1.1 Общие сведения об емкостных накопителях………………………..4 1.1.2 Разрядные процессы в емкостных накопителях энергии………….. 9 1.2 Индуктивные накопители энергии……………………………………… 15 1.2.1 Общие сведения……………………………………………………… 15 1.2.2 Использование индуктивных накопителей в цепях с емкостными и индуктивными элементами………………………… 16 1.3. Взрывные генераторы…………………………………………………. 19 1.4. Ударные генераторы…………………………………………………. …24 1.5 Схемы умножения напряжения………………………………………….26 1.5.1 Генераторы импульсных напряжений, выполненные по схеме Аркадьева-Маркса …………………………………………..26 1.5.2 LC- генераторы Фитча……………………………………………… 37 2. Элементы накопителей энергии……………………………………………..39 2.1. Импульсные конденсаторы……………………………………………. 39 2.2 Изоляция соединительных элементов ГИТ…………………………… 48 2.3 Коммутаторы для емкостных накопителей энергии…………………..53 2.3.1 Искровые разрядники ………………………………………………. 53 2.3.2 Импульсные тиратроны………………………………………………60 2.3.3 Системы коммутации емкостных накопителей энергии, соединенных параллельно (ГИТ)……………………………….63 2.3.4 Псевдоискровые разрядники……………………………………… .72 2.4 Коммутирующие устройства индуктивных накопителей энергии ……………………………………………………………………74 2.4.1 Размыкатели, основанные на использовании электрического взрыва проводников………………………………..82 2.4.2 Плазменные прерыватели тока………………………………………85 2.4.3 Полупроводниковые прерыватели тока……………………………..87 Список использованной литературы…………………………………………. 95 Оглавление……………………………………………………………………….98

Мощная импульсная энергетика

Теперь Тесла понимал, почему его переменные заряды высокой частоты из первых опытов никогда не выказывали таких мощных проявлений. Именно прерывистость, яростный импульсный разряд, придавал этому неожиданному «газообразному» компоненту возможность свободно перемещаться. Импульсы, однонаправленные импульсы, были единственной причиной, с помощью которой мог быть высвобожден этот потенциал. Синусоидальные колебания в этом отношении были абсолютно бесполезны.

Секреты свободной энергии холодного электричества. Глава 2. Розеттский камень

Кинетронные супертехнологии и перспективная энергетика

Экология потребления.Наука и техника:Энергетические супертехнологии, использующие физические эффекты кинетронной природы позволили создать целый спектр экологически чистых автономных бестопливных энергогенераторов (ЭГ), которые эффективно преобразуют энергию мировой кинетронной среды в энергию потребительского формата

Энергетические супертехнологии, использующие физические эффекты кинетронной природы позволили создать целый спектр экологически чистых автономных бестопливных энергогенераторов (ЭГ), которые эффективно преобразуют энергию мировой кинетронной среды в энергию потребительского формата. За последние 125 лет было разработано десятки различных конструкций таких Эг, некоторые из них выпускаются небольшими сериями. По мере совершенствования бестопливных ЭГ и супертехнологий их производства удельная себестоимость ЭГ быстро падает и через несколько лет может стать ниже $ 200 за 1 кВт.

Концепция «кинетронных супертехнологий» является системным объединением двух авторских подходов: «кинетроники» и «супертехнологий». В кинетронике строго доказывается, что всё пространство Вселенной заполнено минимальными по размеру и массе (а значит, неделимыми, то есть истинно элементарными, базовыми) частицами материи — «кинетронами» («кинемос» — движение, «трон» — базовая частица, основа).

В масштабах Вселенной вся совокупность движущихся кинетронов образует «мировую кинетронную среду» (МКС), которую в первом приближении можно рассматривать как плотный «броуновский кинетронный газ». МКС обладает колоссальной энергетической плотностью — более 1033 Дж/м3 (оценки получены на основе применения классических моделей эфиродинамики), практически мгновенно возобновляющей среднюю энергетическую плотность благодаря огромной скорости движения (более 1021м/с — измерена в 1987-1990 годах), как самих кинетронов, так и кинетронных волн в МКС. Это позволяет создавать эффективные автономные бестопливные кинетронные энергогенераторы (ЭГ) — тепловые, электрические и т.п., при этом единственным видом «топлива» для таких ЭГ являются кинетронные потоки (волны) МКС.

Кроме того, при определённых условиях МКС может передавать кинематический импульс физическим телам (то есть создавать управляемый вектор тяги), что позволяет создавать эффективные кинетронные приводы, а также бестопливные энергетические (и транспортные) системы на их основе, которые могут функционировать в любом месте мирового пространства.

Базовые принципы кинетроники хорошо согласуются как с известными (в том числе классическими) физическими концепциями («атомистическая» модель мира Демокрита, теория мироустройства Ньютона, законы электромагнетизма и т.д.), так и с современными физическими моделями («тёмная» материя и бозоны Хиггса, теория струн и т.п.).

«Супертехнологический» подход предусматривает эффективные структурноиерархические методы быстрой разработки и внедрения широкой номенклатуры массово востребованных, экологически безопасных, дешёвых и высококачественных товаров и услуг (в том числе в сферах: автономная бестопливная экологически чистая энергетика и транспорт, обработка и передача информации, технологическое оборудование различного назначения, строительство, АПК, биомедицина, наука, образование и т.д.), работа которых основана на широком использовании процессов и эффектов кинетронной физической природы и обладающих принципиально новыми потребительскими свойствами.

В практическом плане первые бестопливные (по сути — кинетронные) энергогенераторы (ЭГ) были разработаны: Майклом Фарадеем в 1831 году (к сожалению, такой КСТ-ЭГ не был полностью бестопливным); Джоном Кили в 1872 году (КСТ-ЭГ, использующий резонансно-вибрационные кинетронные эффекты); Натаном Стабблфилдом в 1880 году (КСТ-ЭГ, использующий эффект магнито-кинетронной индукции); Николой Тесла в 1889 году (КСТ-ЭГ, использующий высокочастотный высоковольтный искроразрядник и резонансный трансформатор специальной конструкции).

Николе Тесла принадлежат эти поистине пророческие слова: «Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется — всё энергия. Перед нами грандиозная задача — найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из неисчерпаемого источника, человечество будет двигаться вперёд гигантскими шагами».

Далее следуют разработки Альфреда Хаббарда (1921 год), Томаса Генри Морея (1926), Виктора Шаубергера (1920-1945), Ганса Колера (1920-1950), Вильгельма Райха (1940 год) и десятков других изобретателей первой половины прошлого века. К сожалению, подобные конструкции часто не отличались высокой эффективностью работы и имели невысокую стабильность работы. Были и другие недостатки у таких конструкций, не позволяющие быстро наладить серийное их производство и сбыт.

Всего за последние 125 лет в мире было разработано несколько десятков различных конструкций бестопливных КСТ-ЭГ (и КСТ-моторов), некоторые из них выпускаются небольшими партиями — под конкретные заказы. Удельная себестоимость таких КСТ-систем пока остаётся высокой — более $ 1000 за 1 кВт, однако по мере совершенствования конструкций таких КСТ-систем, супертехнологий их изготовления и увеличения индекса серийности выпуска, удельная себестоимость стремительно падает и уже через несколько лет может снизиться ниже $ 200 за 1 кВт.

Конвертирование энергии МКС

Главной задачей любого бестопливного КСТ-ЭГ (то есть конвертора энергии МКС в энергию потребительского формата) является преобразование трёхмерного (3D) формата броуновского кинетронного газа МКС в локальном рабочем объёме в одномерный (1D) кинетронный поток, который на втором этапе преобразуется в однонаправленный материальный поток потребительского формата: Ш-поток нагретого теплоносителя, электрический ток, скоростной поток жидкости, газа или твёрдого тела и т.д.

Необходимо отметить, что потенциальная удельная мощность мировой кинетронной среды может составлять более 1052 Вт/м3, в то время как удельная мощность и энергетическая плотность магнитных, электрических, электромагнитных и «гравитационных» полей несоизмеримо меньше удельной мощности и энергетической плотности мировой кинетронной среды. В реальных КСТ-ЭГ используется лишь мизерная часть потенциальной удельной мощности МКС — менее 10-40, при этом удельная выходная мощность такого ЭГ может составить более 10 МВт/м3 (или 10 кВт/л), что вполне достаточно для практических нужд.

Рассмотрим два наглядных примера конвертирования энергии МКС:

Пример 1. Известно, что постоянный магнит может совершать работу (механическую, генерировать электроэнергию и т.д.) многие тысячи лет, не теряя своих магнитных свойств; при этом очевидно, что магнит, совершая такую работу, затрачивает свою энергию. В то же время, если совершающий работу магнит окружить магнитным экраном, то очень быстро магнит потеряет свои магнитные свойства и перестанет совершать работу. Это свидетельствует о том, что магнит получает компенсацию своих затрат энергии из МКС по магнитным силовым линиям, которые являются по сути очень тонкими кинетронными замкнутыми вихрями и выполняют функции эффективных «кинетроноводов», собирающих кинетронную энергию из большого объёма и концентрирующую её внутри тела магнита.

Пример 2. Современный холодильник, потребляя от электросети 1 кВт мощности переносит из внутреннего объёма наружу тепловую мощность около 5 кВт, то есть в пять раз больше, чем потребляет от электросети. Если выходную тепловую мощность преобразовать в электрическую, то можно осуществить «самозапитку» такого холодильника, превратив его тем самым в автономный бестопливный КСТ-ЭГ. Очевидно, что это возможно только благодаря тому, что при испарении-конденсации хладагент холодильника получает энергетическую подпитку из МКС: из 5 кВт выходной тепловой мощности 4 кВт — это вклад кинетронной энергии МКС.

Энергетическая эффективность КСТ-ЭГ оценивается двумя следующими базовыми параметрами:

1. Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение мощности, отдаваемой в нагрузку («полезной» мощности), к суммарной мощности всех энергетических потоков, входящих в активную рабочую область ЭГ (суммарная потребляемая мощность). КПД всегда меньше 1 или 100 %, так как часть потребляемой (от всех источников энергии) мощности теряется в ЭГ в процессе её преобразования в полезную мощность.

2. Коэффициент конверсии мощности (ККМ) — отношение мощности, отдаваемой в нагрузку («полезной» мощности), к мощности, затрачиваемой на запуск ЭГ на рабочий режим и его поддержку. ККМ в эффективных КСТ-ЭГ всегда существенно больше 1 (или 100 %), так как меньшая часть потребляемой мощности из МКС используется на запуск и поддержку рабочего режима, а существенно большая часть этой поглощённой мощности преобразуется в потребительский формат и передаётся полезной нагрузке. Именно поэтому часто КСТ-ЭГ условно называют «сверхединичными» или «бестопливными».

Базовые физические эффекты, применяемые в КСТ-ЭГ

Следует отметить, что на сегодняшний день известно несколько десятков различных физических эффектов кинетронной природы, используемых для работы КСТ-ЭГ, и число таких эффектов с каждым годом растёт. Мы ограничимся рассмотрением лишь базовых кинетронных физических эффектов, которые наиболее часто применяются в КСТ-ЭГ.

Все базовые кинетронные физические эффекты, практически решают схожие задачи в суперэнергетике: обеспечивают преобразование кинетронных энергетических SD-потоков броуновской (хаотической) МКС в ID-энергетические (организованные) потоки потребительского формата: тепловой поток, электрический ток, механическое движение.

За последние 125 лет в мире было разработано несколько десятков различных конструкций бестопливных КСТ-ЭГ, некоторые из них выпускаются небольшими партиями. Удельная себестоимость таких КСТ-систем пока более $ 1000 за 1 кВт, однако по мере совершенствования конструкций и технологий изготовления и увеличения индекса серийности выпуска, удельная себестоимость уже через несколько лет может снизиться ниже $ 200 за 1 кВт

1. Кинетронно-механический «эффект гравитации». Обычно под гравитацией понимают «притяжение на расстоянии одного физического тела (объекта) другим». Однако, из первого закона Ньютона следует, что никакие два физических тела на расстоянии, превышающем габариты этих тел, не могут повлиять непосредственно друг на друга, то есть передать друг другу кинематический импульс, энергию и информацию, так как при отсутствии контактного взаимодействия между указанными двумя телами каждое из тел двигается прямолинейно и равномерно (если только эти тела контактно не будут взаимодействовать с другими физическими телами). Откуда следует, что для опосредованного физического влияния на расстоянии одного тела на другое необходимы другие тела или частицы-посредники (как правило, очень мелкие), реализующие эстафетную передачу энергии и кинематического импульса.

Таким образом, из первого закона Ньютона логически строго следует необходимость существования МКС, заполняющей всё пространство Вселенной, а также следует, что «гравитационное» взаимодействие тел невозможно без наличия МКС (ненулевое значение гравитационной постоянной однозначно указывает на присутствие такой мировой материальной среды).

При этом на уровне физического механизма на самом деле одно тело не притягивает другое тело на расстоянии, а лишь создаёт кинетронное экранирование — «кинетронную волновую тень», что приводит к уменьшению давления МКС между телами, по сравнению с кинетронным давлением МКС с внешней стороны этих тел. Градиент такого давления и вызывает «приталкивание» таких тел друг к другу с силой, пропорциональной массам этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Говоря другими словами, эти тела не «гравитируют», а «приталкиваются» друг к другу МКС . Управление подобным процессом «приталкивания» тел за счёт энергии и кинематического импульса МКС позволяет создавать эффективные КСТ-ЭГ с ККМ > 5 и КПД > 85 %.

2. Эффект магнитно-кинетронно-электрической индукции. Открытый в 1831 году Майклом Фарадеем эффект заключается в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего плоскость электропроводящей рамки, в последней возникает электродвижущая сила (ЭДС) кинетронной физической природы.

На рис. 1 показана токопроводящая рамка, внутренний объём которой пронизывает пучок силовых линий магнитной индукции B(t), сосредоточенный в цилиндрическом объёме. Силовые линии магнитной индукции (при изменении их плотности в пучке) являются инициаторами появления «электродвижущей» силы (ЭДС), то есть силы, движущей электрически заряженные частицы в электропроводящем материале рамки. Эта «электродвижущая сила» (на рис. 1 условно показана пунктирными стрелками) имеет немагнитную и неэлектрическую, а микромеханическую физическую природу/

Показано, что именно МКС с помощью соответствующих вихревых кинетронных потоков-волн (пунктирные окружности на рис. 1) передаёт кинематический импульс и энергию электрически заряженным частицам. При этом появление асимметрии кинетронных потоков, вызывающее градиент «электродвижущей» силы, происходит за счёт «управляющего сигнала», в виде усиленных МКС кинетронных волн, возбуждаемых за счёт нестационарного процесса изменения количества силовых линий в пучке. Применение этого эффекта позволяет создавать высокоэффективные КСТ-ЭГ с ККМ > 5 и КПД > 85 %.

3. Электро-гидро-кинетронный эффект Юткина. Открыт в 1950 году. При электрическом разряде в жидкости происходит электрический микровзрыв с практически мгновенным выделением энергии кинетронных потоков в некотором объёме вокруг электрического разряда. При этом количество и скорость выделяемой энергии в зоне электрического разряда зависит от многих причин, в том числе от параметров электрического разряда и свойств жидкости, а волну сжатия, возникающую при интенсивном испарении жидкости в зоне разряда и расширении пара в электродуговом промежутке, можно вызвать как одиночным мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещёнными в жидкость, так и последовательной серией импульсов.

Дополнительная энергия в этом эффекте появляется за счёт резкого увеличения коэффициента поглощения кинетронных потоков МКС, естественным образом пронизывающего резонансный объём жидкости за счёт электро-гидро-кинетронного ударного возбуждения. Данный эффект является основой для разработки параметрических рядов КСТ-ЭГ, преобразующих энергию МКС в тепловую и электрическую энергию потребительского формата, при этом в качестве рабочего тела используется парогазовая смесь. ККМ таких систем может превышать пять, а КПД подобных конверторов редко превышает 80 %.

Дополнительная энергия в эффекте Юткина появляется за счёт резкого увеличения коэффициента поглощения кинетронных потоков мировой кинетронной среды, естественным образом пронизывающего резонансный объём жидкости за счёт электро-гидро-кинетронного ударного возбуждения

4. Эффект вихревого реверса Джанибекова. В 1985 году космонавт В. Джанибеков, находясь на борту орбитальной космической станции, обнаружил феномен кинетронно-вихревой природы: раскрученная в невесомости вокруг своей собственной оси гайка-«барашек» равномерно вращалась некоторое время, а потом быстро спонтанно переворачивалась на 180° и вращалась дальше, потом опять спонтанно переворачивалась и т.д.

Согласно закону сохранения момента импульса, в рассматриваемом эффекте на гайку должны действовать внешние периодические (реверсивные) кинетронные потоки МКС. При этом возникает режим резонансного поглощения кинематического импульса и энергии указанных кинетронных потоков.

Данный эффект лежит в основе работы КСТ-ЭГ: вместо гайки используется постоянный магнит, помещённый внутрь электрической катушки, при этом периодическая смена направления магнитног потока, пронизывающего указанную катушку, согласно закону магнитно-кинетронно-электрической индукции, возбуждает в катушке ЭДС, пропорциональную частоте изменения направления магнитного потока.

5. Кинетронно-механический эффект Казимира. Эффект был открыт в 1948 году и заключается в «приталкивании» (или расталкивании) двух электропроводящих электрически нейтральных тел за счёт понижения между такими телами давления МКС, обусловленного взаимным экранированием этих тел от фоновых кинетронных волн. Наиболее выражен эффект для двух параллельных зеркальных поверхностей, размещённых на близком расстоянии. Однако эффект Казимира существует и для более сложных топологий тел. На основе эффекта Казимира реализуются наноматрицы «кинетронных диодов», обладающих односторонней проводимостью кинетронных потоков, что позволяет создавать КСТ-ЭГ с ККМ > 10 и с КПД > 90 %.

6. Магнитно-кинетронно-механический эффект Минато. Эффект был открыт в 1995 году. Сущность эффекта заключает в том, что расположенные пилообразно на немагнитном диске постоянные магниты обеспечивают самоподдерживающееся вращение такого колеса при поднесении внешних магнитных скоб к ободу колеса. Ассиметрично расположенные магниты при начале вращения диска Минато от небольшого внешнего механического импульса вызывают в первоначально изотропном объёме МКС (в зазоре между ротором и статором) соответствующие возмущения, приводящие к возникновению градиентов сил давления МКС, действующих по касательной к ободу диска ротора (аналогично «электродвижущим» кинетронным силам в эффекте Фарадея). Эффект Минато используется для создания магнитомеханических КСТ-конверторов с ККМ > 5 и с КПД > 80 %.

7. Магнито-кинетронный бистабильный эффект Флойда Свита. Открыт в начале 1990-х годов и проявляется в «бистабильных магнитах» (БМ) при их возбуждении импульсами с частотой, совпадающей с собственной резонансной (магнитострикционной) частотой БМ. При подаче внешнего магнитного поля небольшой напряжённости за счёт положительной обратной связи в структуре БМ инициируется лавинообразный процесс изменения магнитной полярности, при этом резко увеличивается коэффициент поглощения кинетронных потоков (волн) МКС. Применение эффекта Флойда Свита в КСТ-ЭГ позволяет получить ККМ > 100 и КПД > 90 %.

8. Кинетронно-электрический эффект контактной разности потенциалов Вольта. Открыт в конце XVIII века: на границе различных веществ (в том числе и металлов) спонтанно возникает так называемая «контактная разность потенциалов». Переход свободных электронов от одного вещества в другое происходит за счёт воздействия на контактирующие вещества кинетронных потоков МКС, так как топологические структуры электронных оболочек атомов таких контактирующих веществ сильно отличаются: при контакте таких веществ возникают резонансные электро-кинетронные процессы локального возбуждения МКС, приводящие к резкому снижению энтропии в зоне контакта указанных веществ. Поэтому МКС, стремясь увеличить энтропию, направляет вполне организованные (не хаотичные) кинетронные потки (волны), появляющиеся благодаря указанному резонансу, чтобы погасить возникшие резонансные низко энтропийные процессы в зоне контакта этих веществ.

Если отвести тем или иным способом перешедшие свободные электроны от вещества-акцептора в вещество-донора подальше от зоны контакта в замкнутой через нагрузку электрической цепи с помощью специального электро-кинетронного диода, то такая система будет постоянно создавать контактную ЭДС, фактически конвертируя кинетронную энергию МКС в электроэнергию, поступающую затем в нагрузку. В 1950-х годах академик П. К. Ощепков демонстрировал эксперимент с проволокой из сплава меди и алюминия, в котором концентрация меди линейно убывала от одного конца такой проволоки к другому, а концентрация алюминия адекватно возрастала. Перерезав эту проволоку посередине и включив в этот разрыв лампочку, Ощепков демонстрировал «вечное» горение этой лампочки за счёт кинетронно-электрического эффекта контактной разности потенциалов.

9. Эффект горения солёной воды Канзиуса. Открыт в 2007 году. В аппарате Канзиуса, работающем на основе данного эффекта, вода подвергается воздействию радиоволн с частотой около 14 МГц, которые ослабляют связи атомов в молекуле воды за счёт резонансных процессов и высвобождают водород. При этом дополнительная энергия для подобного «сверхединичного» резонансного гидролиза поступает из МКС. Это позволяет создавать КСТ-ЭГ с ККМ > 2 и КПД > 80 %.

Наиболее быстро внедряются бестопливные КСТ-ЭГ в Китае. Например, китайский изобретатель Ванг Шум Хо много раз публично демонстрировал работу своего КСТ-ЭГ (мотора-генератора), в том числе на Шанхайской всемирной выставке ЭКСПО-2010. В 2008 году его КСТ-ЭГ успешно завершили полугодовое испытание, которое проводилось в рамках энергетической программы китайского правительства по критериям надёжности и безопасности. Правительство Китая рассматривает быстрое внедрение указанных КСТ-ЭГ в качестве стратегического направления бурно развивающейся китайской суперэнергетики. Несколько лет назад правительство Китая выделило десятки миллиардов долларов на замену обычных электрогенераторов на устаревших угольных ТЭС на бестопливные КСТ-ЭГ. Бестопливные КСТ-ЭГ планируется установить также на автомобили и другую транспортную технику.

Программы, основанные на аналогичных КСТ научно-технических подходах в суперэнергетике полным ходом реализуются во многих странах мира. Так, например, в 2009 году Конгресс США утвердил пакет экстренных мер по оздоровлению американской экономики объёмом $ 787 млрд, в том числе и на бестопливные супертехнологии. Аналогичные КСТ программы (прежде всего, в энергетике) реализуются также в Японии, Германии, Израиле, Индии, Ирландии, ОАЭ, Гонконге, Австралии и многих других странах. Более 50 фирм в мире (в том числе Boeing, GM, Mitsubishi и др.) уже приступили к разработке или даже к серийному производству аналогов КСТ-ЭГ. Это обусловлено тем, что достаточно высокие мировые цены на энергоносители приводят к сильному торможению научно-технологического и социального прогресса на планете (стагнации во многих отраслях реальной экономики), в то же время в некоторых странах добыча и продажа нефти имеет рентабельность более 800 % (ОАЭ и др.).

Общее падение рентабельности от продажи традиционных видов энергоносителей заставляет крупных монополистов в этой сфере диверсифицировать свои капиталы, вкладывая значительные средства (как правило, без афиширования) в развитие супертехнологий (аналогичных КСТ) и прежде всего в суперэнергетику и супертранспорт

Мощная импульсная энергетика

Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН (до 1991 года АН СССР) организован постановлением Госкомитета СССР по науке и технике от 28.06.1977 г. № 36 и постановлением Президиума Сибирского отделения АН СССР от 20.09.1977 г. № 427. Основатель института — академик Геннадий Андреевич Месяц. Институт создавался с целью проведения фундаментальных и прикладных научных исследований в области сильноточной электроники — нового научного направления, объединившего разработку методов генерирования мощных электрических импульсов, эмиссию интенсивных потоков корпускулярного и электромагнитного излучения, а также исследования по воздействию мощных потоков энергии на вещество. В настоящее время институт возглавляет член-корреспондент Николай Александрович Ратахин.

Сегодня в ИСЭ работают 384 человека. Научных работников 130, в том числе два академика и один член-корреспондент РАН, 33 доктора наук, 54 кандидата наук. В институте 12 научных подразделений: 3 отдела и 9 лабораторий.

ИМПУЛЬСНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Основа сильноточной электроники — мощная импульсная техника. Исследования и разработки в этой области ведутся, кроме России, в немногих странах: США, Франции, в последние годы интенсивно разворачиваются в Китае. Сильноточные генераторы наносекундных и микросекундных электрических импульсов перекрывают диапазон мощностей от сотен мегаватт (компактные настольные устройства) до 10 14 Вт (машины «термоядерного» класса). Генераторы различной мощности и различного устройства составляют большую часть парка экспериментальных установок сильноточной электроники. Импульсные генераторы используются для фундаментальных исследований экстремальных состояний вещества, в том числе, направленных на решение проблемы инерциального термоядерного синтеза; в качестве источников энергии для получения потоков частиц и излучений (в том числе для радиационных испытаний и других специальных применений), а также в ряде промышленных технологий, основанных на импульсных воздействиях.

Выдающийся вклад в развитие техники формирования мощных высоковольтных импульсов внесен лауреатом Государственных премий СССР и России академиком Борисом Михайловичем КОВАЛЬЧУКОМ. Многие идеи по созданию генераторов с импульсной трансформаторной зарядкой были предложены талантливым ученым и инженером, кандидатом технических наук Александром Степановичем ЕЛЬЧАНИНОВЫМ.

Академик Б. М. Ковальчук

В отделе импульсной техники под руководством академика Б. М. КОВАЛЬЧУКА разрабатываются крупнейшие электрофизические установки для фундаментальных исследований и отработки новых технологий. В их числе тераваттные генераторы ГИТ-12 и ГИТ-4, десятки других универсальных и специализированных устройств. Разрабатывается элементная база импульсных генераторов нового поколения (сильноточные конденсаторы, сильноточные коммутаторы, формирующие и передающие линии, элементы импульсных трансформаторов и др.). Развиваются применения импульсных генераторов в фундаментальных исследованиях экстремальных состояний вещества, в том числе, направленных на решение задачи инерциального термоядерного синтеза, а также при решении практических задач тестирования свойств вещества и техники в условиях экстремальных энергетических воздействий. Вырабатываются схемные решения при использовании импульсных генераторов в технологиях, таких как электроразрядные технологии дробления горных пород, разрушения отработанных железобетонных изделий, электроразрядного бурения и создание опытных образцов импульсных генераторов для таких технологий.

Со второй половины 90-х годов в отделе ведется разработка индукционных генераторов нового поколения — LTD-генераторов. Их мощность настолько велика, что позволяет им включаться на физическую нагрузку без использования дополнительных ступеней компрессии энергии. Исследователи США, Франции и Великобритании рассматривают такой подход как наиболее перспективный для строительства импульсных радиографических установок, и сверхмощных генераторов для инерциального термоядерного синтеза на основе Z-пинча.

Для разрабатываемого во Франции проекта лазерного термоядерного синтеза LMJ в отделе созданы импульсные источники питания систем накачки твердотельных лазеров.

ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА

Лауреат Ленинской и Государственной премий А.В. Лучинский (1929—2004)

Успехи в строительстве импульсных генераторов позволили Институту начать на высоком уровне физические исследования вещества в условиях высокой плотности вложенной энергии. Пионерские достижения в этой области связаны с именем лауреата Ленинской и Государственной премий Андрея Владимировича ЛУЧИНСКОГО. Сегодня работы в отделе высоких плотностей энергии ведутся под руководством члена-корреспондента РАН Николая Александровича РАТАХИНА.

Исследования ведутся на крупнейших импульсных установках: генераторах ГИТ-12 и МИГ. В экспериментах по электродинамическому сжатию вещества удалось получить импульсные магнитные поля в десятки мегагаусс и давления на уровне ста мегабар. Впервые в лабораторных условиях продемонстрирована степень сжатия твердого вещества, характерная для ядерного взрыва. При сжатии многокаскадных лайнеров удалось добиться эффективной генерации К-излучения при больших — субмикросекундных — временах имплозии, получить эффективную генерацию жесткого излучения с энергией квантов до десяти килоэлектронвольт. Предложены методы, позволяющие значительно повысить плотность энергии, транспортируемой в импульсном режиме по передающим линиям.

В последние три года институт в лице отделов высоких плотностей энергии и импульсной техники, используя имеющийся богатый опыт по импульсному сжатию лайнеров, активно включился в исследования по получению мощных потоков нейтронов. Эти исследования имеют прямое отношение к решению проблемы осуществления инерциального термоядерного синтеза. Совместно с Чешским техническим университетом в Праге, Институтом ядерной физики Академии наук Чешской республики и Национальным исследовательским Томским политехническим университетом в экспериментах с двухкаскадными дейтериевыми лайнерами с внешней плазменной оболочкой получен выход 2,9×10 12 нейтронов за импульс при токе через лайнер 2,7 МА. Это рекордный по эффективности результат. Эксперименты подтвердили, что теоретическая зависимость выхода нейтронов, пропорциональная четвертой степени пикового тока имплозии, реализуется при токах более 2 МА. Это открывает широкие перспективы для осуществления реакции управляемого термояда в лайнерных схемах.

ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Исследования по генерации мощных импульсов микроволнового излучения начались в Институте в 1977 году и уже вскоре увенчались созданием первого в мире импульсно-периодического СВЧ-генератора с импульсной мощностью более 100 мегаватт. За 30 лет под руководством Сергея Дмитриевича КОРОВИНА сложилась авторитетная научная школа по релятивистской сильноточной электронике.

Академик С.Д.Коровин

С 2006 года отдел возглавляет д.ф.-м.н. Владислав Владимирович РОСТОВ. В отделе физической электроники ИСЭ СО РАН традиционно сложные фундаментальные исследования сочетаются с прикладными. Важная часть — формирование и транспортировка сильноточных электронных пучков, из применения: технологические и междисциплинарные, но в первую очередь — для получения сверхмощных СВЧ-импульсов. Созданные в отделе физической электроники СВЧ-генераторы на основе сильноточных ускорителей «СИНУС» не имеют мировых аналогов. Освоены все известные механизмы генерации и основные типы СВЧ-приборов. На уникальном ускорителе СИНУС-7 получены мощности излучения до нескольких гигаватт. Созданы компактные источники сверхкоротких гигаваттных СВЧ-импульсов на основе эффекта сверхизлучения. Совместно с томскими биологами и медиками проводятся исследования влияния импульсно-периодических электромагнитных излучений на клетку.

Гигаваттный СВЧ-генератор на основе импульсно-периодического сильноточного ускорителя электронов СИНУС-7

В последние годы произошли сдвиги в понимании формирования очень коротких, субнаносекундных, пучков в режиме взрывной электронной эмиссии. Удалось найти условия, когда можно стабилизировать время задержки взрывной эмиссии, сократив разброс по времени в сотни и тысячи раз, до пикосекунд (в 1980—90 годы взрывную эмиссию исследовали в основном на длинных, наносекундных импульсах, и стабильность тока взрывной эмиссии была не очень высокой). При использовании коротких фронтов напряжения стабильность тока взрывной эмиссии обеспечивается одновременным возникновением большого числа плазменных эмиссионных центров. Это, в свою очередь, позволило осуществить цикл исследований, проводимых в сотрудничестве с Институтом электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург, по генерации мощных микроволновых импульсов с четко определенной и точно воспроизводимой фазой в каждом импульсе. Ранее считалась, что фаза электромагнитных колебаний в сильноточных СВЧ автогенераторах случайна. При больших длительностях фронта тока пучка так и происходит, однако при его сокращении фаза фиксируется. За счёт этого удалось впервые продемонстрировать возможность фазирования нескольких параллельно работающих наносекундных СВЧ-генераторов. Например, удалось получить фазированное излучение с длиной волны 8 мм из четырех параллельных каналов, питаемых одним высоковольтным источником. Ещё несколько лет назад такое не представлялось возможным. Получаемые результаты охотно принимают к публикации такие известные журналы как Physical Review Letters, Applied Physical Letters, Journal of Applied Physics.

В 1982 году в лаборатории высокочастотной электроники под руководством доктора физ-мат наук Владимира Ильича КОШЕЛЕВА были начаты исследования многоволновых черенковских СВЧ-генераторов. На электронном ускорителе ГАММА были получены импульсы излучения рекордных мультигигаваттных мощностей.

В 1993 году в лаборатории стартовали исследования по генерации мощных импульсов сверхширокополосного излучения. За последние годы созданы источники сверхширокополосных импульсов с гигаваттной пиковой мощностью, мегавольтным эффективным потенциалом и частотой срабатывания до 100 Гц. Ведутся работы по созданию компактных приемных антенн и антенных решеток, разрабатываются методы распознавания объектов с помощью сверхширокополосных импульсов.

Разработан и исследован многововолновой череновский генератор гигаваттного уровня мощности с линейно поляризованным излучением и гауссовым распределением поля. Работа открывает перспективы создания компактных мощных источников микроволнового излучения в различных диапазонах частот, включая терагерцовый.

Созданы и исследованы мощные источники сверхширокополосного излучения с эллиптической поляризацией на основе возбуждения цилиндрических спиральных антенн и решеток биполярным импульсом напряжения. Это обеспечивает новые возможности по проведению исследований в области сверхширокополосной радиолокации и устойчивости электронных систем к воздействию сильных электромагнитных полей.

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ВАКУУМЕ

Еще в середине 1960-х годов группе Геннадия Андреевича Месяца удалось в уникальных экспериментах однозначно доказывать механизм электрического пробоя в вакууме. Явление взрывной эмиссии электронов было признано научным открытием. Возникло новое научное направление — сильноточная эмиссионная электроника.

Взрывоэмиссионные катоды позволили генерировать импульсные электронные пучки недостижимых ранее мощностей. На их основе были созданы мощные импульсные лазеры, рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц. Было доказано, что взрывная эмиссия играет фундаментальную роль не только в вакуумном, но и в импульсном газовом разряде.

Процессы вакуумного пробоя более четверти века изучаются в лаборатории вакуумной электроники под руководством Заслуженного деятеля науки, профессора Дмитрия Ильича ПРОСКУРОВСКОГО. С 2006 года лабораторией руководит кандидат физ.-мат. наук Александр Владимирович БАТРАКОВ. Уникальный накопленный опыт, филигранная экспериментальная техника позволяют открывать новые стороны уже знакомых явлений. Так, в 2000 году был обнаружен объект в вакуумном разряде — капельное пятно.

Разработанные в лаборатории уникальные источники широкоапертурных импульсных электронных пучков нашли применение в технологиях увеличения электрической прочности вакуумной изоляции, модификации поверхности материалов. По лицензии института в Японии выпущено около 100 установок для электронно-пучковой полировки металлических изделий.

Название «Лаборатория вакуумной электроники» может показаться излишне всеобъемлющим, но в данном случае это оправдано. Лаборатория охватывает четыре научных направления, взаимосвязанных между собой не только организационно (каждое из направлений представлено самостоятельной научной группой), но и по сути явления электрического разряда в вакууме. Вакуумный разряд начинается с вакуумного пробоя, и первое из направлений — электрическая изоляция в вакууме и вакуумный пробой. За стадией вакуумного пробоя следует стадия вакуумной дуги, и исследование и применение данного явления — второе научное направление лаборатории. Третье направление — генерация сильноточных электронных пучков в плазмонаполненных диодах. Четвёртое — воздействие таких пучков на материалы с целью модификации свойств их поверхности. Примечательно то, что данная цепочка имеет «внутренний круг» обращения, поскольку один из методов, развиваемых лабораторией — повышение электрической прочности вакуумной изоляции путём модификации поверхности электродов сильноточным электронным пучком.

Лаборатория, как и институт в целом, не замыкается на фундаментальных научных исследованиях, и активно трудится над созданием новых наукоёмких технологий. Наибольшего успеха в прикладных направлениях исследований лаборатория достигла в области металлургии поверхности. Исследования и разработки в данном направлении проводятся совместно с ООО «Микросплав», руководимым к.ф.-м.н. А. Б. Марковым, сотрудником лаборатории.

В последние годы лаборатория вакуумной электроники сделала решительный шаг в сторону исследований для применений в космической технике. В частности, в лаборатории ведётся поиск научно-технических решений для разработки микроплазменных двигателей для малых космических аппаратов. Другое «космическое» направление исследований — разработка методов и аппаратуры для диагностики бортовой аппаратуры и кабельной сети космических аппаратов на устойчивость к дугобразованию при их эксплуатации в космосе. Данная работа выполняется при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ № RFMEFI60714X0008. Индустриальным партёром в данных исследованиях является АО «Информационные спутниковые системы» и. академика М. Ф. Решетнева.

ФИЗИКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Значительное место в тематике института занимают работы по исследованию низкотемпературной плазмы газовых разрядов. Результаты цикла исследований воздействия внешнего ионизирующего излучения на процесс развития импульсного разряда высокого давления были зарегистрированы как научное открытие.

Научное подразделение под руководством Юрия Дмитриевича Королева было создано в 1980 г. как лаборатория газовой электроники. Основное направление ее работы было связано с исследованиями газовых разрядов и с применением разрядов в устройствах сильноточной электроники. Тематика оказалась более широкой, чем в первоначальной формулировке, и в 1986 г. подразделение было преобразовано в лабораторию низкотемпературной плазмы. Ее задачей стало изучение импульсных разрядов в газах высокого и низкого давления и применение разрядов в самых различных областях. В настоящее время коллектив основных сотрудников лаборатории включает 9 человек, из них два доктора наук и два кандидата наук.

Среди наиболее крупных результатов можно отметить следующие.

Применительно к разрядам высокого давления развита концепция электрополевых неустойчивостей, приводящих к переходу объемного разряда в искру. Предложены способы подавления неустойчивостей. В результате реализованы импульсные разряды, являющиеся активной средой мощных импульсных лазеров, при объеме плазмы до сотен литров.

Для разрядов низкого давления прояснены механизмы их формирования и поддержания тока в сильноточной стадии. Полученные данные позволили разработать новый класс уникальных сильноточных коммутирующих приборов (так называемых тиратронов с холодным катодом). Совместно и ООО «Импульсные технологии» (г. Рязань) приборы внедрены в промышленное производство.

В последнее время интенсивно развивается направление, связанное с исследованием слаботочных разрядов в потоке газа и с генерацией низкотемпературных плазменных струй на основе таких разрядов. Предложены различные направления использования разрядов, включая их применение в системах плазменного поддержания горения и конверсии углеводородов.

Отличительной особенностью лаборатории являются широкое сотрудничество связи с другими научными группами в России и за рубежом. Работы поддерживаются российскими и зарубежными грантами, а также другими источниками финансирования. Получаемые результаты высоко оцениваются специалистами. Формальным показателем этого может служить то, что ведущие сотрудники имеют довольно высокий индекс Хирша по системе Web of Science. Например, для Ю. Д. Королева данный индекс составляет 18. В течение долгого времени Ю. Д. Королев является координатором работ по низкотемпературной плазме в Сибирском отделении РАН.

МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Наиболее впечатляющие результаты применение импульсных объемных газовых разрядов дало в мощной лазерной технике, бурное развитие которой пришлось на 1960—70-е годах. В ИСЭ под руководством Геннадия Андреевича МЕСЯЦА и доктора физ-мат наук Юрия Ивановича БЫЧКОВА были созданы СО2 лазеры с рекордной энергией импульса до 5 килоджоулей, целая серия электроразрядных эксимерных лазеров с энергией в импульсе до 10 Дж, лазеров с накачкой электронным пучком с энергией до 2 килоджоулей.

Сегодня в лаборатории газовых лазеров под руководством профессора, доктора физико-математических наук Валерия Федоровича ЛОСЕВА развиваются два основных научных направления. Первое связано с разработкой электроразрядных газовых лазеров на различных молекулах (эксимеры, СО2, HF, N2), способных работать с частотой следования импульсов до 100 Гц, второе — с разработкой и созданием мультитераваттной фемтосекундной лазерной системы видимого диапазона спектра.

Слева направо: д.ф.-м.н. В. Ф. Лосев, академик Б. М. Ковальчук и к.ф.-м.н. Н. Г. Иванов на фоне мультитераваттного лазера THL-100

Электроразрядные лазеров перспективны для создания новых технологий в микроэлектронике, получения нанопорошков и нанопленок, могут использоваться в биологии и медицине. На основе эксимерного KrF лазера, разработанного в лаборатории, за последние годы совместно с Институтом оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН и Институтом проблем химико-энергетических технологий СО РАН был создан лидар для обнаружения взрывчатых веществ в воздухе и на поверхностях, не имеющий мировых аналогов по своей чувствительности. Лидар прошел испытания, и практически готов к внедрению для мероприятий по антитеррору.

С 2005 г. по инициативе и поддержке академика Г. А. Месяца ведутся совместные с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН работы по созданию в ИСЭ СО РАН, в коллаборации нескольких лабораторий, мощной гибридной лазерной системы THL-100 на основе твердотельного фемтосекундного задающего комплекса и выходного газового усилителя на молекулах XeF(C-A). Ее создание открывает новое направление в построении лазерных систем сверхвысокой мощности, основанное на использовании в конечном каскаде усиления газовой активной среды с фотохимической накачкой. Интерес к лазерным пучкам сверхвысокой мощности обусловлен возникновением при их взаимодействии с веществом таких уникальных явлений генерация электронных и ионных пучков высокой энергии с рекордными плотностями тока, возможностью быстрого зажигания лазерного термоядерного синтеза, генерации аттосекундных импульсов излучения в рентгеновском диапазоне, стимулирования ядерных реакций и т.д. Уникальность лазерной системы THL-100 состоит в том, что она работает в видимой области спектра, и уже в настоящее время имеет рекордную мощность 14 ТВт. В перспективе эту мощность планируется поднять до 50—100 ТВт.

ГЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ЭКСИЛАМПЫ, ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

В 1990 году в лаборатории оптических излучений под руководством доктора физ.-мат. наук Виктора Федотовича ТАРАСЕНКО началась разработка эксиламп — нового класса источников ультрафиолетового излучения, использующих узкополосное неравновесное спонтанное излучение эксимерных или эксиплексных молекул.

Сегодня эксилампы находят широкое применение в микроэлектронике, фотохимии и аналитической химии. Имеются перспективы использования их излучения в нефтегазовой промышленности, фитобиологии, технологиях фотосинтеза, показана его эффективность при лечении кожных заболеваний.

Разработанные образцы эксиламп удостоены многочисленных наград на российских и международных выставках и используются во многих организациях России и за рубежом.

За последние годы учёными лаборатории были получены новые результаты по генерации сверхкоротких лавинных электронных пучков, формированию и применению объемных наносекундных разрядов с неоднородным электрическим полем.

Проведен цикл исследований по созданию эксиламп с высокой мощностью излучения и большим сроком службы, в том числе с привлечением внебюджетных средств по международным программам и контрактам. Определены оптимальные условия возбуждения эксиламп барьерного разряда на инертных газах и смесях инертных газов с галоидами. Созданы опытные образцы уникальных эксиламп, излучающиющих на узких полосах в УФ и ВУФ областях спектра, которые пользуются спросом на мировом и российском рынках. В частности, созданы малогабаритные XeCl – эксилампы (длина волны излучения 308 нм) со сроком службы отпаянного излучателя более 10 тысяч часов. Разработана компактная эксилампа с выходным окном 80´11 см и мощностью излучения на длине волны 222 нм (KrCl) 20 Вт и на длине волны 282 нм (XeBr) 30 Вт.

В лаборатории проведены экспериментальные исследования пучков убегающих электронов и диффузных разрядов при высоких давлениях в неоднородном электрическом поле. При давлениях от единиц торр до 12 атмосфер за фольгой газового диода при субнаносекундном пробое различных газов получены пучки убегающих электронов с длительностью импульса около 100 пикосекунд током до 100 ампер. Показано, что изменением давления можно плавно регулировать длительность импульса тока пучка. Пучки убегающих электронов удалось генерировать с высокой частотой следования импульсов, до 3.5 кГц. При пробое воздушного промежутка атмосферного давления поток быстрых электронов зарегистрирован за сетчатым катодом, и в этих условиях с анодом из тантала получена экспозиционная доза рентгеновского излучения за импульс 3.5 мР. Продемонстрирована перспективность применения сверхкороткого лавинного электронного пучка для исследования импульсной катодолюминесценции в различных кристаллах: искусственном и природном алмазе; кальците, сподумене и флюорите.

ИСТОЧНИКИ ПЛАЗМЫ И ИОННЫХ ПУЧКОВ. ЭЛЕКТРОННО-ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Основателем научного направления плазменной эмиссионной электроники по праву следует считать профессора, доктора технических наук Юлия Ефимовича КРЕЙНДЕЛЯ. Его преемником стал Заслуженный деятель науки доктор физико-математических Петр Максимович ЩАНИН.

профессор Ю.Е. Крейндель.

Сегодня в лаборатории плазменной эмиссионной электроники ведутся фундаментальные работы по поиску новых форм разрядов низкого давления, генерации плазмы в больших объемах, разрабатываются новые плазменные источники заряженных частиц. Одновременно проводятся работы по изучению воздействия плазмы и концентрированных потоков электронов на поверхность материалов с целью улучшения их физико-химических и эксплуатационных свойств.

Значительные перспективы для внедрения в промышленность имеет разработанный в лаборатории метод азотирования деталей в плазме дугового разряда. Обработка материалов микросекундными сильноточными электронными пучками может быть внедрена в технологические циклы создания штамповой оснастки, инструмента, пар трения и других механизмов, работающих в условиях повышенных нагрузок и в агрессивных средах.

Учёными созданы уникальные электронно-ионно-плазменные технологические установки «Элион-Азот», «СОЛО», «КВАДРО» и «ТРИО», по совокупности параметров превосходящие все известные мировые аналоги.

В настоящее время в лаборатории работают двадцать четыре сотрудника в том числе:

3 доктора наук, 4 кандидата наук, 10 научных сотрудников без степени, инженеры и техники. Более 60% сотрудников в возрасте до 35 лет.

В последние годы активно развиваются два новых научных направления:

— азотирование материалов и изделий в низкотемпературной плазме как самостоятельных, так и несамостоятельных разрядов низкого давления;

— создание оборудования и технологии комплексной обработки поверхности материалов и изделий, сочетающей плазменно-ассистированное электродуговое напыление функциональных покрытий с последующим миксингом под воздействием плотных низкоэнергетических электронных пучков субмиллисекундной длительности.

Использование разрабатываемых методов позволяет целенаправленно конструировать поверхности, наиболее ответственных деталей современной техники и инструмента, добиваясь многократного увеличения ресурса их работы в экстремальных режимах эксплуатации.

В 2014 году лаборатория выиграла трехлетний грант Российского научного фонда на поддержку действующих лабораторий по теме: «Разработка физических основ комплексного электронно-ионно-плазменного инжиниринга поверхности материалов и изделий». Выполнение этого гранта позволит лаборатории активно развиваться и продвигать новые электронно-ионно-плазменные технологии не только на российском, но и на зарубежном рынках.

В лаборатории плазменных источников, возглавляемой доктором технических наук Ефимом Михайловичем ОКСОМ, изучаются процессы, происходящие в катодной области вакуумного дугового разряда, проводятся исследования по генерации многозарядных ионов, исследования разрядов с полым катодом. Здесь создаются эффективные источники электронных, ионных пучков и генераторы плазмы, параметры которых определяют сегодняшний мировой уровень развития этой области ионно-плазменной техники. Лаборатория поддерживает тесное сотрудничество со многими крупными научными центрами США и Европы.

Основное направление научной деятельности лаборатории прикладной электроники, заложенное ее основателем академиком Сергеем Петровичем БУГАЕВЫМ — физические исследования процессов ионно-плазменного осаждения пленок различных веществ. Преемником академика Бугаева в 2002 году стал доктор технических наук Николай Семенович CОЧУГОВ. Под его руководством был разработан ряд технологических установок для нанесения тонкопленочных покрытий с заданными функциональными свойствами на подложки большой площади. Установки серии «ВНУК» для нанесения теплосберегающих покрытий на архитектурные стекла с площадью до 4 квадратных метров в свое время были запущены на многих предприятиях Сибири.

академик С.П. Бугаев (1936—2002)

В 2004 году с целью коммерциализации разработанных в лаборатории источников питания напылительных устройств было создано малое инновационное предприятие ООО «Прикладная электроника». За прошедшее время предприятие существенно расширило спектр выпускаемой продукции от источников питания до магнетронных распылительных устройств, источников ионов и вакуумных технологических установок для нанесения покрытий.

В 2009 году лаборатория начала исследования в новой для себя области – водородной энергетике, занявшись разработкой твердооксидных топливных элементов с тонкопленочным электролитом. Сегодня совместно с Томским политехническим университетом деляются попытки коммерциализации разработанного метода изготовления топливных элементов, работающих на водороде и природном газе.

В 2014 году лабораторию возглавил кандидат технических наук Андрей Александрович СОЛОВЬЕВ. В лаборатории создаются современные источники питания для напылительных установок, ведутся работы по созданию нового типа прозрачных электропроводящих покрытий на стекле и полимерных пленках, разрабатываются новые виды электрохромных, углеродных алмазоподобных и других покрытий с различными функциональными свойствами.

Лаборатория теоретической физики ИСЭ была организована в 1980 году для поддержки экспериментальных работ других научных подразделений. Сегодня лаборатория под руководством доктора физ.-мат наук Андрея Владимировича Козырева тесно взаимодействует практически со всеми исследовательскими коллективами Института в области физики пучков заряженных частиц и плазмы, физики газового разряда, взаимодействия потоков частиц с веществом. Большое внимание в институте уделяется развитию компьютерного моделирования. Численный эксперимент прочно закрепился в сильноточной электронике, став мощным инструментом в физическом исследовании и конструировании электрофизических устройств.

В Институте сделаны научные открытия: явления взрывной электронной эмиссии (1976 г., № 176) и закономерностей воздействия внешнего ионизирующего излучения на процессы в импульсном газовом разряде высокого давления (1989 г., № 363).

Из числа работавших в институте Г. А. Месяц, Б. М. Ковальчук, С. Д. Бугаев, С. Д. Коровин стали действительными членами, В. Г. Шпак, Ю. А. Котов, М. И. Яландин, Н. А. Ратахин, Н. В. Гаврилов — членами-корреспондентами АН СССР и РАН.

Сотрудниками Института получены Государственные премии СССР, РФ в области науки и техники (1978, 1981, 1984, 1998, 2003); Государственная премия РСФСР в области науки и техники (1988); Премии Совета Министров СССР (1988, 1990); Премии Правительства Российской Федерации (2002, 2013); Премии Ленинского комсомола в области науки и техники (1968, 1980, 1987); Общенациональная неправительственная Демидовская премия (2007). В активе ученых ИСЭ международная премия им. Э. Маркса за цикл работ по генерации сверхмощных электрических импульсов (1997), премия им. П. Чаттертона за выдающийся вклад в понимание явлений электрического пробоя и разряда в вакууме (2000, 2002), премия им. У. Дайка за выдающийся вклад в исследования электрического пробоя и электрической прочности в вакууме (2008), международная энергетическая премия «Глобальная энергия» (2003).

ИСЭ СО РАН является признанным мировым лидером в области фундаментальных исследований и разработок в области импульсной энергетики и сильноточной электроники. Объем ежегодных поставок наукоемкой продукции по договорам с отечественными заказчиками 60—70 млн. руб. Ежегодно разрабатываются и поставляются в ведущие зарубежные исследовательские центры уникальные электрофизические установки для фундаментальных исследований и прикладного использования на сумму 1—1,5 млн. долларов. В том числе, институт принимал и принимает участие в разработке элементной базы для проектов импульсного термоядерного синтеза, реализуемых Францией и США.

Работы ИСЭ пользуются и значительной грантовой поддержкой: институт выполняет 5 проектов Российского научного фонда, около 50 проектов Российского фонда фундаментальных исследований.

На базе научно-технического задела ИСЭ СО РАН работает 7 малых инновационных предприятий.

Институт состоит участником технологических платформ РФ «Национальная информационная спутниковая система», «Национальная космическая технологическая платформа», «Медицина будущего», «Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии – фотоника», «Малая распределенная энергетика», «Радиационные технологии», «Глубокая переработка углеводородных ресурсов», Территориального инновационного кластера «Информационные технологии и электроника Томской области», Территориального инновационного промышленного кластера Томской области «Твердотельная электроника СВЧ».

Около четверти научных работников института вовлечены в преподавательскую деятельность.

Институтом сильноточной электроники СО РАН (совместно с Томским политехническим университетом) организованы и проведены в г. Томске в 2000, 2006, 2012 и 2014 году I—IV Международные конгрессы «Потоки энергии и радиационные эффекты» (EFRE), объединяющие Международный симпозиум по сильноточной электронике, Международную конференцию по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы, и Международную конференцию по радиационной физике и химии неорганических материалов. Конгресс, ставший крупнейшим за всю историю научным мероприятием, проводимым в Томске, каждый раз привлекает в качестве участников сотни ученых, специалистов и представителей промышленности.

Добавить комментарий