ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 74-81
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 535.11+537.533.3+537.534.3
БАЛАНС ЭНЕРГИИ В ДВОЙНОЙ ФОРМИРУЮЩЕЙ ЛИНИИ ПРИ РАБОТЕ В ДВУХИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ © 2015 г. А. И. Пушкарев, Ю. И. Исакова, X. Zhang*, И. П. Хайлов
Томский политехнический университет Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: aipush@mail.ru * Beihang University, BeiJing, China Поступила в редакцию 24.03.2014 г. После доработки 21.04.2014 г.
Представлен анализ баланса энергии в двойной формирующей линии при работе на резистивную нагрузку и диод с магнитной самоизоляцией. Исследования выполнены на ускорителе ТЕМП-4М, который состоит из емкостного накопителя — генератора импульсных напряжений (г.и.н.), двойной формирующей линии (д.ф.л.) и диода с магнитной самоизоляцией (или резистивной нагрузки). Ускоритель формирует сдвоенные разнополярные импульсы: первый — отрицательный (300— 600 нс, 150—200 кВ), второй — положительный (120 нс, 250—300 кВ). Определены потери энергии в формирующей линии из-за тока утечки в воде в течение ее зарядки и генерации ионного пучка, а также потери энергии в газовых разрядниках. Выполненные исследования показали, что полная энергия, передаваемая из г.и.н. в д.ф.л., равна сумме энергии, запасаемой в д.ф.л., и потерь в нагрузке. Потери за счет утечки в воде и в предразряднике не превышают 4%. Выполнен анализ эффективности передачи энергии из формирующей линии в нагрузку (резистивная нагрузка или диод) и в режиме короткого замыкания. Получено, что 90% накопленной в д.ф.л. энергии поступает в диод, причем 90% этой энергии поступает в диод в течение генерации пучка. Основные потери энергии (9—10%) происходят в разрядниках. При этом эффективность передачи энергии из д.ф.л. в нагрузку не зависит от энергозапаса формирующей линии.
DOI: 10.7868/S0032816215010309
ВВЕДЕНИЕ
Большинство генераторов импульсных электронных и ионных пучков гигаваттной мощности используют двойную формирующую линию (д.ф.л.). Такой генератор формирует импульс напряжения с крутизной фронта (1—2) • 1013 В/с [1], обеспечивая быстрое образование взрывоэмис-сионной плазмы на всей рабочей поверхности катода. В таких условиях характеристики диода не зависят от эмиссионной способности потенциального электрода. Это обеспечивает более высокую стабильность выходных параметров пучка и большой ресурс работы [2].
Для повышения эффективности генерации мощного ионного пучка (м.и.п.), прежде всего, необходимо повысить эффективность передачи энергии в самом ускорителе. В работе [3] показано, что при работе д.ф.л. с волновым сопротивлением 50 Ом на низкоиндуктивную согласованную нагрузку эффективность передачи энергии составляет 65—85%. При этом в течение основного импульса в нагрузку поступает <50% энергии. При работе формирующей линии на рабочую нагрузку (discharge reactor) эффективность передачи энергии снижается до 40—60%.
Результаты исследования баланса энергии в электронном ускорителе ТЭУ-500 [4] представлены в работе [5]. В ускорителе в качестве генератора наносекундных импульсов напряжения использована д.ф.л., нагруженная на повышающий автотрансформатор. Исследования показали, что 85—90% энергии, накопленной в д.ф.л., поступает в нагрузку. К.п.д. генератора не меняется в широком диапазоне энергий выходного импульса.
В работе [6] представлен анализ эффективности передачи энергии в ускорителе ТЕМП-4М при работе в двухимпульсном режиме на диод с магнитной самоизоляцией после модернизации [7]. Выполненная модернизация конструкции д.ф.л. ускорителя позволила повысить эффективность передачи энергии из д.ф.л. в диод в течение генерации ионного пучка с 45 до 70% [7]. Потери энергии в формирующей линии не превышали 10-15%.
Для увеличения стабильности напряжения пробоя основного разрядника д.ф.л. при работе в двухимпульсном режиме первый импульс, поступающий в нагрузку д.ф.л., использовали для запуска основного разрядника [8]. Управляемый режим позволил снизить напряжение зарядки формирующей линии до величины, составляю-
щей 0.9—0.95 от напряжения самопробоя основного разрядника, а энергию в первичном емкостном накопителе — с 4.5 до 2.5 кДж при той же запасаемой в д.ф.л. энергии. Цель выполненных исследований — анализ баланса энергии в д.ф.л. генератора импульсных ионных пучков и определение наиболее существенных каналов потери энергии при работе основного разрядника д.ф.л. в управляемом режиме.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД
Исследования выполнены на ускорителе ТЕМП-4М [9], который состоит из емкостного накопителя — генератора импульсных напряжений (г.и.н.), д.ф.л. и диода с магнитной самоизоляцией. Ускоритель формирует сдвоенные разно-полярные импульсы: первый — отрицательный (300—600 нс, 150—200 кВ), второй — положительный (120 нс, 250—300 кВ). Блок-схема д.ф.л. ускорителя ТЕМП-4М показана на рис. 1.
В ускорителе ТЕМП-4М источником ионов является взрывоэмиссионная плазма, создаваемая на аноде до подачи на зазор ускоряющего напряжения. Для реализации этого режима предложена схема генератора разнополярных импульсов [10]. При подаче первого импульса отрицательной полярности на потенциальный электрод диода (в этом случае работающий в режиме катода) на нем возникает взрывоэмиссионная плазма, содержащая ионы материала электрода [11]. Далее на потенциальный электрод подается импульс положительной полярности, и ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются в диоде. Биполярный режим работы сильноточного ускорителя с использованием взрывоэмиссионной плазмы в качестве источника ионов позволяет расширить диапазон элементов, ускоренные пучки ионов которых могут быть получены.
Ускоритель ТЕМП-4М в двухимпульсном режиме работает следующим образом. Генератор импульсного напряжения заряжает емкость Сл1, образованную средним электродом д.ф.л. и корпусом ускорителя. При достижении на предварительном газовом разряднике пробивного напряжения разрядник срабатывает, и происходит заряд емкости Сл2 между внутренним и средним электродами д.ф.л. Заряд происходит через предварительный газовый разрядник, переходную камеру и диод (или резистивную нагрузку). При этом формируется первый (отрицательный) импульс напряжения. В течение первого импульса происходит дополнительная зарядка емкостей среднего электрода относительно корпуса и внутреннего электрода д.ф.л. Первый импульс напряжения с выхода д.ф.л. через коаксиальный кабель РК 50-15 подается на запускающий электрод, установленный в заземленном электроде основ-
6
Рис. 1. Блок-схема д.ф.л. ускорителя ТЕМП-4М. 1 — основной разрядник (тригатрон); 2 — средний электрод; 3 — внутренний электрод; 4 — предразрядник; 5 — переходная камера; 6 — потенциальный электрод диода; 7 — кабельная линия задержки; и — сопротивление делителя напряжения и ограничивающее сопротивление соответственно.
ного разрядника. После срабатывания основного газового разрядника генерируется второй (положительный) импульс напряжения.
Напряжение на выходе г.и.н. (зарядное напряжение д.ф.л.) было измерено комбинированным делителем напряжения, установленным в д.ф.л., и дифференциальным делителем напряжения [12]. Напряжение на выходе д.ф.л. измеряли делителем напряжения, установленным в переходной камере между д.ф.л. и диодным узлом. Токи на выходе г.и.н. и д.ф.л., а также ток коммутации основного разрядника измеряли поясами Рогов-ского с обратным витком [13]. Электрические сигналы с датчиков регистрировали осциллографом Tektronix 2024B (200 МГц, 5109 отсчетов/с). Стандартная девиация напряжения пробоя разрядников не превышала 2% в серии из 50-ти импульсов с интервалом 10 с.
Анализ баланса энергии был выполнен по осциллограммам тока и напряжения, поэтому предварительно была проведена тщательная калибровка делителей напряжения и датчиков тока. Для калибровки пояса Роговского на выходе д.ф.л. последовательно с резистивной нагрузкой 4.9 Ом был подключен низкоиндуктивный шунт сопротивлением 0.1 Ом. Выполненная калибровка показала хорошее совпадение формы сигналов с датчиков тока. По показаниям шунта был определен коэффициент чувствительности пояса. Калибровку поясов Роговского на выходе г.и.н. и в основном разряднике проводили при замыкании потенциального электрода основного разрядника на корпус через шунт.
На рис. 2 приведены результаты калибровки делителя напряжения на выходе д.ф.л. при работе ускорителя на резистивную нагрузку — трубу дли-
иа, кВ 300
200 100 0
-100
-200
I, кА 45
30 15
0
200
400 нс
600
800
15
-30
Рис. 2. Экспериментальные значения напряжения (1, точки) и тока (2) на выходе д.ф.л. и расчетные значения напряжения (1, линия).
ной 40 см с водным раствором К2С03. При калибровке делителя напряжения, установленного на выходе д.ф.л., при генерации импульсов ускоряющего напряжения амплитудой выше 100-200 кВ в качестве резистивной нагрузки необходимо использовать длинную трубу во избежание пробоя по поверхности нагрузки.
На высоких частотах эквивалентная схема нагрузки представляет собой последовательное соединение индуктивности и активного сопротивления. Напряжение, прикладываемое к нагрузке, рассчитывали по показаниям пояса Роговского по формуле
ий = ад + (Ь + А) ^,
ш
где иа и — напряжение и ток на выходе д.ф.л.; Ян и Ьн — соответственно активное сопротивление и паразитная индуктивность нагрузки; Ьх — индуктивность диодного узла.
Активное сопротивление нагрузки, предварительно измеренное при низкочастотном переменном напряжении (50 Гц), составило 4.9 Ом. Паразитная индуктивность нагрузки, рассчитанная по соотношению для прямолинейного проводника на высокой частоте [14], составила 150 нГн. При расчетах учитывали паразитную ин-
дуктивность диодного узла (100 нГн), которую определяли в режиме короткого замыкания. В течение формирования основного импульса напряжения и на послеимпульсах получено хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений напряжения. Это подтверждает корректность измерения тока и напряжения на выходе д.ф.л. и отсутствие паразитных утечек тока в диодном узле.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ Д.Ф.Л.
При анализе баланса энергии в д.ф.л. мы рассчитывали энергию в формирующей линии по соотношению
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.