Индуктивный генератор
Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высокоэнергетических электромагнитных импульсов, рентгеновского излучения, СВЧ-излучения и т. д. Технической задачей предлагаемого решения является создание семейства генераторов электромагнитных импульсов на основе индуктивных накопителей с плазменными прерывателями тока (ППТ). Технический результат заключается в расширении возможностей схемотехнических решений по компоновке узлов генератора, а также обеспечение удобства в эксплуатации, заключающиеся в простоте смены узлов ППТ. Технический результат достигается тем, что в отличие от известного индуктивного генератора, содержащего 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, новым является то, что плазменный прерыватель тока представляет собой самостоятельный узел, который 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. Описаны варианты этого основного решения. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высокоэнергетичных электромагнитных импульсов, рентгеновского излучения, СВЧ-излучения и т.д.
Известен индуктивный генератор (ИГ) [R.A. Meger, R.J. Commisso, G. Cooperstein, and Shyke A. Goldstein. Appl. Phys. Lett. 1984, vol. 42, p. 943], содержащий последовательно соединенные первичный источник энергии, линию передачи тока, индуктивный накопитель (ИН), один из электродов которого - внешний, а другой - внутренний, плазменный прерыватель тока (ППТ) с источниками плазмы для закорачивания межэлектродного промежутка плазменного прерывателя тока, а также подключенную непосредственно или через линию передачи энергии параллельно плазменному прерывателю тока нагрузку. В этом генераторе индуктивный накопитель, узел плазменного прерывателя тока и линия передачи энергии конструктивно представляют собой последовательно состыкованную коаксиальную вакуумную линию (назовем такую схему линейным расположением узлов ИГ). Недостатком такой схемы является внесение плазмы в область нагрузки, сопровождающей прерывание тока, ограничивающей генерируемое напряжение из-за шунтирующих свойств плазмы. Другим недостатком линейной схемы является необходимость расстыковки индуктивного накопителя и линии передачи энергии к нагрузке при замене плазменного прерывателя тока. В генераторах с энергозапасом в десятки килоджоулей и более эти узлы являются крупногабаритными, и разборка системы трудоемка и нежелательна. Известен индуктивный генератор [Абдуллин Э.Н., Баженов Г.П., Бастриков А. Н. , Бугаев С.П., Ким А.А., Ковальчук Б.М., Кокшенев В.А., Родионов Н.Е. Исследование прерывателя тока на основе микросекундного плазмонаполненного диода. Изв. вузов MB и ССО СССР, Физика, 1988, N 4, стр. 112-113], в котором плазменный прерыватель тока и нагрузка (взрывоэмиссионный диод) совмещены конструктивно (схема плазмонаполненного диода). Эта схема позволяет исключить потери в токе (как правило, незначительные) из-за введения дополнительной индуктивности линии передачи энергии между прерывателем тока и нагрузкой, не участвующей в накоплении тока. Недостатками этой схемы является неизбежное взаимовлияние процессов в ППТ и нагрузке и проблемы, связанные с размещением в одном узле источников плазмы и диода. Наиболее близким к предлагаемому индуктивному генератору является ИГ [Дубинов А. Е. , Жданов B.C., Корнилов В.Г. Нижегородцев Ю.Б, Селемир В.Д., Челпанов В.И. "Плазменный прерыватель тока", патент РФ N 2123243, МПК Н 05 Н 1/00, опубл. в БИ N 34, 1998 г.], выбранный за прототип. Он содержит 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. В этом индуктивном генераторе плазменный токовый канал вынесен в полость, образуемую цилиндрическими поверхностями внешнего электрода, коаксиального ИН, дополнительного электрода, охватывающего последний, а также кольцевыми поверхностями дополнительного электрода, электрически соединяющего внутренний электрод ИН с дополнительным цилиндрическим электродом, и изолятора между последним и внешним электродом ИН. В этой системе силы, действующие на ППТ, вынуждают перемещаться его по направлению к источнику тока от нагрузки снаружи по поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя. Недостатком схемы является жесткая зависимость выходных характеристик индуктивного генератора от размеров внешнего электрода ИН и условие обеспечения вакуума в ИН. Другим недостатком этого решения является "привязанность" конструктивная ИГ к коаксиальной геометрии индуктивного накопителя, в рамках последней затруднительно суммировать напряжения отдельных индуктивных накопителей. Технической задачей предлагаемого решения является создание семейства генераторов электромагнитных импульсов на основе индуктивных накопителей с плазменными прерывателями тока (индуктивных генераторов). Технический результат заключается в расширении возможностей схемотехнических решений по компоновке узлов генератора, а также обеспечение удобства эксплуатации, заключающиеся в простоте смены узлов ПТТ. Технический результат достигается тем, что в отличие от прототипа, содержащего 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, новым является то, что плазменный прерыватель тока расположен на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя и содержит вакууммируемый корпус, являющийся внешним электродом прерывателя, и внутренний электрод, соединенные соответственно с внешним и внутренним электродами индуктивного накопителя. В вариантах такого индуктивного генератора нагрузка может быть установлена на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя перед плазменным прерывателем тока, или плазменный прерыватель и нагрузка установлены на внешнем электроде индуктивного накопителя таким образом, что их оси симметрии расположены в одной плоскости. В следующем варианте индуктивного генератора во внешнем электроде индуктивного накопителя установлены проходной изолятор между индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока, проходной изолятор между индуктивным накопителем и нагрузкой, а межэлектродная полость индуктивного накопителя заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью больше 1. Вынесение плазменного прерывателя тока в самостоятельный узел обеспечивает независимость выходных характеристик ИГ от размеров ИН при сохранении исключения выноса плазмы в область нагрузки; обеспечивает возможность оперативной смены плазменных прерывателей тока без расстыковки индуктивного накопителя с линией передачи энергии к нагрузке, возможности выбора конструкции, геометрических размеров узла ППТ, размещения плазменных источников, независимого от выбранной конфигурации индуктивного накопителя и нагрузки. Количество узлов плазменного прерывателя тока, параллельно подключаемых к выходу ИН, устанавливаемых (или используемых) на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя, может меняться в зависимости от конкретной задачи. Изменение количества узлов ППТ дает возможность оптимизировать токовую нагрузку на узел ППТ, оптимизируя выходные характеристики ИГ для конкретной задачи. Вынесение ППТ из общей конструкции ИГ в самостоятельный узел позволяет оперативно менять как узел ППТ целиком, так и его элементы, например внутренний электрод ППТ, изменяя межэлектродный промежуток, длину и конфигурацию как плазменного токового канала в фазе увеличения тока (фаза накопления), так и дрейфового пространства в фазе уменьшения тока (фаза "открытия" ключа ИГ или фаза разрыва тока). Размещение узлов ППТ с различной конфигурацией элементов на корпусе (внешнем электроде) ИН расширяет режимные возможности ИГ, поскольку появляется возможность менять геометрию ППТ без перекомпоновки установки, используя часть узлов. Очевидно сохранение возможности исключения выноса плазмы по направлению к нагрузке, поскольку область дрейфа плазмы и линия передачи энергии к нагрузке разнесены пространственно. Исключение выноса плазмы в область нагрузки сохраняется при реализации различных вариантов плазменного прерывателя тока. 1. Плазмой перекорачивается межэлектродный промежуток в цилиндрической части коаксиального ППТ. 2. Плазмой перекорачивается торцевая часть коаксиального ППТ (аналог плазмонаполненного диода). 3. Первоначально плазмой перекорачивается цилиндрическая часть коаксиального ППТ, затем в процессе работы ИГ плазма выносится в торцевую область, где происходит заключительная фаза разрыва токового канала. Плазменный прерыватель тока может быть двухкаскадным: первый каскад выполняется в варианте ППТ 1, а второй - в варианте 1 или 2. Индуктивный накопитель может представлять собой (как в аналогах и прототипе) коаксиальную линию. Однако размещение ППТ в самостоятельном узле дает новую возможность, сохраняя коаксиальную геометрию ППТ, использовать ИН в виде радиальной линии, когда внешним электродом ИН является торообразный корпус, а внутренним - диск. В следующем варианте индуктивного генератора новым является то, что плазменный прерыватель и нагрузка устанавливаются на внешнем электроде индуктивного накопителя таким образом, что их оси симметрии расположены в одной плоскости. В двух последних вариантах индуктивного генератора необходимо, чтобы нагрузка, если она представляет собой вакуумный диод, электронный ускоритель или т.п., устанавливалась на внешнем электроде индуктивного ускорителя через патрубок достаточной длины для предотвращения влияния азимутального магнитного поля индуктивного накопителя на протекание тока в нагрузке. Условие "достаточной длины" практически означает, что длина патрубка должна по крайней мере вдвое превышать диаметр отверстия, через которое производится соединение внутреннего электрода индуктивного накопителя с нагрузкой. Оптимальная длина патрубка определяется в соответствии с требованиями, предъявляемыми к работе конкретной нагрузки. Использование энергоемких источников энергии (первичного совместно со вторичным - индуктивным накопителем) предоставляет возможность синхронной запитки нескольких нагрузок, которые могут устанавливаться описанным выше способом на внешнем электроде индуктивного накопителя (его корпусе) после плазменного прерывателя тока (как в прототипе), перед ним (п. 2 настоящей формулы изобретения), или в одном ряду с ним (п. 3 формулы изобретения). Прерыватель тока может состоять из одного сильноточного узла, устанавливаемого на торцевой или боковой частях внешнего электрода ИН на его наружной поверхности. При необходимости уменьшения токовой нагрузки в ППТ предпочтительнее устанавливать узлы прерывателя на боковой поверхности индуктивного накопителя. Технический результат по обеспечению дополнительной возможности формирования выходного импульса, связанной с увеличением электрической длины индуктивного накопителя при заполнении его веществом с диэлектрической постоянной большой величины, достигается тем, что по сравнению с прототипом новым является то, что во внешнем электроде индуктивного накопителя установлены проходной изолятор между ИН и плазменным прерывателем тока, проходной изолятор между индуктивным накопителем и нагрузкой, а межэлектродная полость индуктивного накопителя заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/949.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/38/389357.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/38/389358.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/949.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/38/389359.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/38/389360.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/38/389361.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/38/389362.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Формула изобретения
1. 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, отличающийся тем, что 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. 2. Индуктивный генератор по п.1, отличающийся тем, что нагрузка установлена на наружной поверхности внешнего электрода индуктивного накопителя перед плазменным прерывателем тока. 3. Индуктивный генератор по п.1, отличающийся тем, что плазменный прерыватель и нагрузка установлены на внешнем электроде индуктивного накопителя таким образом, что их оси симметрии расположены в одной плоскости. 4. Индуктивный генератор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что во внешнем электроде индуктивного накопителя установлены проходной изолятор между индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока, проходной изолятор между индуктивным накопителем и нагрузкой, а межэлектродная полость индуктивного накопителя заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью больше 1.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6