научная статья по теме ПЕРЕДВИЖНАЯ КОНДЕНСАТОРНАЯ УСТАНОВКА КПУ-200 Физика

Текст научной статьи на тему «ПЕРЕДВИЖНАЯ КОНДЕНСАТОРНАЯ УСТАНОВКА КПУ-200»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 43-47

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 533.9.07+533.9.082.79

ПЕРЕДВИЖНАЯ КОНДЕНСАТОРНАЯ УСТАНОВКА КПУ-200

© 2014 г. В. В. Маслов, В. Г. Румянцев, В. Ф. Басманов, Д. В. Будников, А. В. Гарин, И. Ю. Дроздов, Д. А. Ершов, Д. С. Коркин, Н. Г. Макеев, Д. А. Молодцев, Н. И. Москвин, С. Т. Назаренко, О. Н. Петрушин, А. П. Фалин, В. А. Юхневич

РФЯЦ-ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: maslov@expd.vniief.ru Поступила в редакцию 03.07.2013 г.

Описана передвижная электрофизическая конденсаторная установка с максимальным запасом энергии в батарее 250 кДж, генерирующая интенсивные импульсы нейтронов. Основой установки является генератор импульсов тока с емкостным накопителем электрической энергии. При начальном напряжении на конденсаторной батарее до 35 кВ установка обеспечивает протекание в газоразрядной камере с плазменным фокусом, наполненной равнокомпонентной дейтериево-тритиевой (DT) смесью, импульсов токов амплитудой до 2 МА. При этих условиях камера способна многократно генерировать одиночные импульсы быстрых нейтронов с энергией 14.1 МэВ длительностью ~70 нс и интегральным выходом более 1013 нейтронов/импульс.

DOI: 10.7868/S0032816214010297

ВВЕДЕНИЕ

Исследования газовых разрядов, в которых плазма сжимается собственным магнитным полем разрядного тока, имеют уже более чем полувековую историю. В лабораториях многих стран ведутся работы по изучению динамики плазмы и физических процессов генерации нейтронов и рентгеновского излучения в устройствах с динамическими пинчами [1]. Плазменные импульс -ные источники быстрых нейтронов и рентгеновского излучения находят широкое применение в научных исследованиях и при решении ряда прикладных задач [2].

В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан большой парк установок на основе одной из форм газового разряда — плазменного фокуса. Эти установки имеют широкий диапазон энергий в емкостных накопителях (от сотен джоулей до ~1 МДж) и обеспечивают протекание в газоразрядных камерах токов с амплитудой от десятков килоампер до нескольких мегаампер [3, 4].

При разрядных токах мегаамперного диапазона установки представляют собой стационарные устройства, что ограничивает в ряде случаев их применение в прикладных исследованиях. Актуальной задачей является создание передвижной установки, на которой можно проводить эксперименты с объектами исследований в полевых условиях.

1. КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВКИ

В РФЯЦ-ВНИИЭФ разработана конструкция и создана передвижная конденсаторная установка КПУ-200 [5] для исследований импульсного нейтронного источника, формирующегося в газоразрядной камере с плазменным фокусом. Установка представляет собой генератор импульсов тока, в котором происходит накопление электрической энергии, формирование сильноточного импульса и передача его в плазменную нейтронную камеру (ПНК). Составные части КПУ-200, кроме пульта управления, расположены в транспортируемом фургоне. Пульт может размещаться на расстоянии до 100 м от фургона. Общий вид установки КПУ-200 (без пульта управления) приведен на рис. 1. Габариты фургона 7 х 3 х 3.3 м. Общая масса ~12 т.

В состав установки КПУ-200 входят генератор импульсов тока (г.и.т.), газоразрядная камера с плазменным фокусом ПНК-13, системы электропитания и управления, дополнительное оборудование, комплекс измерительной и регистрирующей аппаратуры. Г.и.т. состоит из 36 конденсаторных модулей, малоиндуктивной кабельной линии, кабельного коллектора, системы откачки и наполнения разрядников азотом, блока пуска разрядников, плат резисторов зарядки модулей, высоковольтного блока питания. Общий вид размещения модулей г.и.т. приведен на рис. 2.

Каждый модуль состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов КПИМ-50-6 (50 кВ,

Рис. 1. Общий вид установки КПУ-200 (без пульта управления). 1 — фургон; 2 — стабилизатор напряжения СТС-5; 3 — щиты электропитания; 4 — приборная стойка; 5 — стойки модулей г.и.т.; 6 — защитный кожух; 7 — коллектор кабельный; 8 — плазменная нейтронная камера ПНК-13; 9 — формирователь импульсов ФИ-30; 10 — пост газового пожаротушения.

6 мкФ) отечественной разработки (изготовитель "Русская технологическая группа 2", Москва), газонаполненного разрядника тригатронного типа [6], высоковольтных шин с устройствами для подключения двух малоиндуктивных кабелей. Управ-

ление процессом зарядки конденсаторов и запуск установки осуществляются с удаленного пульта на основе персонального компьютера. Конструкцией установки предусмотрен запуск от внешнего устройства импульсом положительной полярности амплитудой 100 В, длительностью 1.5 мкс и фронтом 50 нс.

Установка КПУ-200 имеет следующие электротехнические характеристики: напряжение зарядки конденсаторов модулей г.и.т. не более 35 кВ; общая емкость конденсаторной батареи г.и.т. 432 мкФ; время зарядки конденсаторов модулей г.и.т. не более 20 с; индуктивность разрядного контура не более 14 нГн; активное сопротивление разрядного контура не более 5 мОм; максимальная амплитуда тока в камере 2.0 МА; напряжение электропитания сети фургона — трехфазное, 380/220В, 50 Гц; потребляемая мощность оборудования не более 20 кВт.

Кабельный коллектор установлен снаружи фургона и предназначен для подсоединения 72 высоковольтных кабелей типа ФКП от модулей г.и.т. к камере. Коллектор дисковой конструкции закреплен на опорной раме и закрыт защитным кожухом. Анодный и катодный диски имеют диаметры 770 и 1200 мм соответственно. Электроды коллектора разделены изолятором из фторопластовой пленки общей толщиной 4 мм. Камера ПНК-13 подсоединяется к электродам через разъ-

ем, выполненный в центре кабельного коллектора. В торцовой стенке внутри фургона имеется люк, через который осуществляется доступ к высоковольтным контактам газоразрядной камеры и кабельного коллектора.

Разрядники модулей г.и.т. запускаются от блока, выполненного по двухкаскадной схеме и состоящего из формирователей импульсов ФИ-10 и ФИ-30. ФИ-10 запускается от пульта управления сигналом амплитудой 5 В. Выходной импульс ФИ-10 положительной полярности амплитудой 10 кВ, длительностью 0.3 мкс с фронтом 15 нс подается на запуск разрядника ФИ-30, который имеет 36 выходных каналов. Полярность выходных импульсов ФИ-30 — положительная, амплитуда до 30 кВ, длительность не менее 0.5 мкс, фронт — 60 нс. Выходные импульсы ФИ-30 подаются по кабелям типа РК-75 одинаковой длины 6 м на управляющие электроды разрядников модулей г.и.т. В конструкции ФИ-10 и ФИ-30 используются высоковольтные источники питания серий МР и SL фирмы 8ре11шап.

Для откачки и наполнения азотом разрядников модулей г.и.т. и ФИ-30 используется система, которая состоит из двух диафрагменных насосов, баллона с газом, распределительного коллектора с трубопроводами и клапанами и двух мановаку-умметров. Система обеспечивает откачку разрядников до давления ~2.7 • 103 Па и наполнение их азотом до рабочего давления (1.5—3.0) • 105 Па. Действия по откачке и наполнению разрядников выполняет оператор в ручном режиме на стадии подготовки к эксперименту.

Зарядка конденсаторов модулей г.и.т. до рабочего напряжения осуществляется с помощью высоковольтного блока питания ВБП13-35(п), изготовленного НП "ОКБ развития высоких технологий" (Н. Новгород). Блок выполнен по схеме поддержания постоянной мощности заряда конденсаторов и имеет следующие характеристики: напряжение электропитания — трехфазная сеть с напряжением 380 В, частотой 50 Гц; диапазон регулирования зарядного напряжения от 10 до 35 кВ; полярность — отрицательная; нестабильность зарядного напряжения не более 1%; максимальная мощность 13 кВт.

Электропитание аппаратуры в фургоне осуществляется от внешнего источника через систему электрощитов, предназначенных для распределения электрической энергии между оборудованием КПУ-200 и его защиты от электрических помех. Питание на электронное оборудование подается через установленный в фургоне стабилизатор СТС-5 мощностью 25 кВт.

Установка КПУ-200 управляется с помощью канала, в состав которого входят удаленный пульт и расположенный в фургоне отсек электронной аппаратуры г.и.т. Пульт состоит из персонального

Рис. 3. Конструкция плазменной нейтронной камеры ПНК-13. 1 — катод-корпус; 2 — анод; 3 — изолятор; 4 — анодный ввод; 5 — клапаны для откачки и наполнения камеры газом.

компьютера (ноутбук), интерфейсного блока (RS-485), источника бесперебойного питания и видеомагнитофона с монитором. Отсек электронной аппаратуры предназначен для управления и контроля функционирования аппаратуры установки при проведении эксперимента и после его завершения, а также сбора информации о выходных параметрах установки КПУ-200.

Для нормального и безопасного функционирования установки в фургоне смонтированы системы отопления, освещения, принудительной вентиляции, газового пожаротушения, аудио- и видеонаблюдения и блокировок от несанкционированного включения высокого напряжения.

2. СФЕРИЧЕСКАЯ ПЛАЗМЕННАЯ НЕЙТРОННАЯ КАМЕРА ПНК-13

Для проведения исследований в РФЯЦ—ВНИ-ИЭФ разработана плазменная нейтронная камера ПНК-13, конструкция которой показана на рис. 3. Электроды камеры имеют сферическую геометрию. Катод с внутренним диаметром 300 мм является корпусом камеры. Он изготовлен из углеродистой конструкционной стали и состоит из двух частей, которые соединяются между собой ва-куумноплотно. Внутри корпуса помещен полый сферический анод с внешним диаметром 160 мм, который соединен с цилиндрическим анодным вводом. Анод изготовлен из бескислородной меди. Для уменьшения поступления паров меди в

и, В 16

12

8

4

■ Исходная

■ Восстановленная

_1_

_1_

0.5

1.0

1.5 2.0 мкс

Рис. 4. Осциллограмма импульсов рентгеновского (1) и нейтронного (2) излучений.

область сжатия плазмы разрядным током в полюсе анода выполнено отверстие 025 мм. Размеры электродов и величина рабочего давления газа оптимизируются исходя из условий согласования работы камеры с конденсаторной батареей г.и.т. установки КПУ-200 и высокой эффективности трансформации электрической энергии из емкостного накопителя в магнитную энергию разрядного тока.

При сборке каме

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.

Показать целиком