Расчет плазменных прерывателей тока

УДК 537.6(06) Мощная импульсная электрофизика
Г.И. ДОЛГАЧЕВ, Д.Д. МАСЛЕННИКОВ, А.Г. УШАКОВ
ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», Москва
РАСЧЕТ ПЛАЗМЕННЫХ ПРЕРЫВАТЕЛЕЙ ТОКА
Приводится методика расчета плазменных прерывателей тока, экспериментально проверенная в диапазоне напряжений 0.4 - 4 МВ и токов 0.02 - 0.4 МА, рассмотрена схема их согласования с нагрузкой типа лайнер.
Плазменный прерыватель тока (ППТ) - ключ для вывода энергии из индуктивного накопителя L0, применяемый в мощных генераторах. Наиболее эффективной с точки зрения величины получаемого напряжения
является предложенная в РНЦ КИ эрозионная схема ППТ во внешнем (создаваемом сторонним источником)
магнитном поле.
Анализ экспериментов по изучению таких ППТ [1,2], позволил сформулировать методику их расчета. В
основу методики положены следующие экспериментальные закономерности и величины: погонная плотность (по длине периметра наружного электрода) переносимого через ППТ заряда
qпог.=(3-5)мКл/см
(1)
и плотность заряда через плазменный канал пушки
qпуш=(5-7)мКл/пушку.
(2)
Условия (1), (2) позволяют определить радиус наружного электрода ППТ и количество плазменных пушек N. Длина электродов ППТ ℓ выбирается из условия
ℓ≥[(Т/4)/vz]+2∆R,
(3)
где Т/4=(0.5-2)мкс – время нарастании тока, vz≈106 см/с – аксиальная скорость плазмы, слагаемое 2∆R учитывает аксиальный разлет плазмы при заполнении зазора ∆R. В этих условиях ℓ ≈ (5-20) см. В мощных ППТ
следует учитывать стойкость материала электродов к импульсным воздействиям (для пироуглерода wЭЛ≈300 Дж/см2):
W0(1- η)/2π((Ra+Rk)ℓ≤ wЭЛ,
(4)
где W0 – энергия ГИН.
Развиваемое напряжение UППТ определяется плотностью энергии wi, затрачиваемой на ускорение ионов,
т.е. на эрозию плазмы: UППТwi4/7. В отсутствии нагрузки оно максимально:
UППТmax(МВ)=ά1,2[UГИН(МВ)]4/7,
(5)
где UГИН – напряжение ГИН, ά1=2.5(МВ)3/7- для ППТ без внешнего магнитного поля и ά2=3.6(МВ)3/7- для
ППТ с полем. При кпд передаче энергии в нагрузку с кпд η=WН/W0 напряжение ППТ снижается:
UППТ=(1-η)UППТmax .
(6)
Условия на величину и топологию внешнего магнитного поля:
а) Силовые линии магнитного поля не должны соединять участки катода, где электрическое поле превышает порог взрывной эмиссии (~100кВ/см), с анодом. Для снижения поля на катоде, катодом служит
наружный (вогнутый) электрод ППТ.
б) Величина внешнего поля НZ определяется из условия:
НZ≥(2-3)max{Hφ, Hc},
(7)
где Hφ=0.2I/Rк – собственное поле тока, Hc=3.36∙103(γ2-1)1/2/dэфф.пл – критическое поле для эффективного зазора между катодной и анодной плазмами, dэфф.пл=|(Ra.пл2-Rk.пл2)|/2Rk.пл≈∆Rпл, γ=[UППТ(МВ)+0.51]/0.51. Реальная величина зазора ∆Rпл находится из условия, что плотность ионного тока Ji (в основном это Н+), определяемая законом Чайлд—Лэнгмюра, составляет
~100А/см2=2.36UППТ3/2/m1/2∆Rпл2 .
(8)
При этом межэлектродный зазор Rk-Ra=∆R≈(2-4)∆Rпл.
Рассмотренная методика использовалась при уточнении проекта установки МОЛ, моделирующей сверхмощный генератор «Байкал», при создании эскизного проекта ППТ для установки УИН-10 (НИИП, г. Лыткарино) и для ВМГ - генератора (ВНИИЭФ, г. Саров). При этом для ППТ с токами более 0.5 МА используются многомодульные схемы.
Нагрузкой сверхмощных генераторов с многомодульным ППТ является лайнер, имеющий малый
начальный и нарастающий во времени импеданс ZН. Для устранения воздействия низкоимпедансной нагрузки - лайнера на динамику ППТ, создания условий для синхронизации модулей и эффективной передачи
энергии в лайнер между ППТ и нагрузкой предлагается включить высокоимпедансный элемент – разделительный разрядник или индуктивность LР. Применение индуктивной развязки
LР≈(0.4-1)L0 позволяет
осуществить синхронизацию модулей с точностью (10-20) нс и получить приемлемый диапазон параметров
импульса, подводимого к лайнеру: η = 0.2-0.25, UППТ=(0.45-0.68)UППТmах, I=(0.5-0.7)I0,
τ = (0.55-0.7)τ0 ≈
(55-100) нс.
Список литературы
1. Dolgachev G.I., Ushakov A.G. Microsecond Plasma Opening Switches in Externally Applied Magnetic Field. // IEEE Trans. Plasma Science, vol. 34, Iss. 1, Feb. 2006, pp. 28- 35.
2. Баринов Н.У., Будков С.А, Долгачев Г.И. и др. Влияние внешнего магнитного тока на эффективность работы плазменного прерывателя тока.// Физика плазмы, 2002, том 28, N 3, с.202-205.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 5
1
УДК 537.6(06) Мощная импульсная электрофизика
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 5
2