Формирователь импульса тока

СО)ОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 175 б ЕСПУБЛИК 19) 5)5 Н 01 Н 39/ ЗО ТЕНИ ИСАНИ о 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА ТОКА. тока на основе электрически взрывающихся Изобретение относится к электротехнике, а именно к электровзрывным формирователям и переключателям, и может использоваться для формирования импульса тока амплитудой 10 -10 А за время 10 с в нагрузке. (сильноточном ускорителе электронов, плазменном фокусе, магнитоплазменном компрессоре).Известен формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения источника тока и нагрузки. Электрически вэрываемый проводник (ЭВП) покрыт невоспламеняющейся силиконовой смазкой. При взрыве ЭВП напряжение передается на нагрузку, в которой формируется короткий импульс тока.Малая мощность импульса, формируемого в нагрузке известным формирователем импульса тока (ФИТ), обусловлена его большой инерционностью из-за большой проводников от магнитокумулятивных генераторов, Сущность изобретения: формирователь тока содержит электрически взрываемый проводник, ввод и вывод для подключения тока и нагрузки. Новым является электрически взрываемый проводник, выполненный по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов, включенных между собой параллельно и изолированных один от другого, причем сопротивление каждого предыдущего проводника на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от внешнего проводящего элемента к внутреннему, 1 ил. погонной индуктивности формирователя, вследствие его малого поперечного сечения и относительно малого сопротивления так, - ъ что постоянная времени т -Ой разряда тока в нагрузке велика (10 с), где .=Ьвп+Ь (Я-6суммарная индуктивность ЭВП и нагрузки, О й - сопротивление формирователя. Малое поперечное сечение ЭВП ограничивает амплитуду тока и, следовательно, энергию и мощность импульса, формируемого в нагрузке. Сокращение времени вывода энергии источника гока в нагрузку ограничено также тем, что формирователь выполнен еа виде одного, единого проводника, вся масса которого взрывается сходу, неуправляемо, а на поцесс форл ирования импульса тока оказывают сильное влияние электрические характеристики источника тока и нагрузки, Как известно в эком однократном, одноступенном формирователе в оптимальном случае (когда равны . индуктивностинакопителя и нагрузки) в последнюю выводится лишь 25% энергии, Ограничения навыводимую энергию и на сокращение времени вывода ее в нагрузку приводят к ограничениям на мощность импульса 5формируемого в нагрузке,Наиболее близким к заявляемому является формирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемыйпроводник, ввод и вывод для подключения 10источника тока и нагрузки. ЭВП выполнен ввиде набора проволочек, навитых в видеспирали на диэлектрических нитях, укрепленных между электродами,Недостатком известного формирователя является малая мощность формируемогов нагрузке импульса электрической энергии, Первоначально весь ток источника питания протекает через ЭВП, начинается егоразогрев джоудевым теплом и к моменту, 20когда тепловая энергия в проводнике превышает энергию его сублимации, проводник взрывается, вызывая этим появление навыводе импульса высокого напряжения сочень большой амплитудой, Амплитуда этого импульса должна быть очень большой(сотни киловольт), чтобы обеспечить быструю (10 с) передачу энергии в нагрузку исфо 7 омировать в ней импульс тока большой(10 -10 А) амплитуды и высокой (10 Вт) 3012мощности, Напряжение зависит от многихпараметров, а именно: геометрии (сеченияи длины) проводника его материала (удельного сопротивления (р) и зависимости р оттемпературы), индуктивности и сопротивления источника тока, ЭВП и нагрузки, амплитуды тока и его производной по времени.Кроме того, напряжение зависит от средыокружающей ЭВМ. В частности, взрыв проводника в воздухе сопровождается появлением плазмы за фронтом ударной волны ивозникновением электрической дуги. Постоянная времени т, импульса тока в нагрузке в известном формирователе велика из-забольшой индуктивности и малого сопротивления электрической дуги вследствие того,что Э ВП навиты в виде спирали, Кроме того,в нагрузку передается не более 250 энергии источника, так как используется лишьодна ступень обострения (все проводники 50взрываются практически одновременно,так как они выполнень 1 из одноо металла ипо ним протекает одинаковый ток за одно ито же время).Целью изобретения является увеличение мощности электрического импульса внагрузке,Сущность изобретения заключается втом, что в известном формирователе импульса тока, содержащем электрически взрываемый проводник ввод для подключения источника тока и вывод для подключения нагрузки новым является то, что электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводящих элементов, включенных параллельно между собой и изолированных друг от друга, причем сопротивление каждого предыдущего проводящего элемента на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, Выполнение ЭВП по меньшей мере из двух отдельных проводящих элементов обеспечивает повышение мощности по следующим причинам. Во-первых, сопротивление и масса первого (со стороны ввода для источника тока) проводника легко согласуется с параметрами источника тока путем подбора соответствующего материала проводника, его длины 1 и, площади Б=,тг(гь 1 -г) поперечного2сечения, а индуктивность коаксиальной полости между первым и вторым ЭВП выполняется оптимальной подбором 1, г и толщины изоляции между проводниками. Сопротивление и масса последнего (со стороны выводы для нагрузки) проводника согласуется с параметрами нагрузки путем подбора соответствующего металла, его длины и поперечного сечения, а индуктивность коаксиальной полости между предпоследним и последним ЭВП выполняется оптимальной путем варьирования ее диаметра и длины, а также зазора между цилиндрами, Очевидно, что нельзя согласовать одним ЭВП выходные параметры самых различных источников тока, используемых в технической физике, с параметрами той или иной нагрузки. Поэтому в известном ФИТ, из-за рассогласованности параметров источника тока, ЭВП и нагрузки, мощность формируемого импульса в нагрузке мала или для согласования и повь 1 шения мощности для ЭВП необходим материал, которого не существует в природе,Для иллюстрации влияния начальных параметров источника рассмотрим ФИТ с источником сверхсильного(10 А) импульса8тока большой ( 10 с) длительности. Для-4предотвращения электродинамического разрыва ЭВП в процессе разряда источников инерционная масса проводника должна быть велика и, следовательно, велики толщина и время взрыва, В результате большой длительности импульса тока в нагрузке мала его мощность. Выполнение ЭВП из двух или нескольких проводников той же суммарной массы, обеспечивает не одновременный, а последовательный электрическийвзрыв проводников с постепенным сокращением длительности взрыва, увеличением амплитуды тока, напряжения и мощности от предыдущей к последующей ступеням обострения и в нагрузке. Для известного ФИТ 5 из параллельно соединенных источника тока, одного ЭВП и нагрузки имеем Ео=.ро /2, где Ео - магнитная энергия, запасенная в разрядной индуктивностия, 1 о - амплитуда тока источника, Если поло жить, что за время Л ЭВП взрывается и размыкает цепь, в которой сосредоточена магнитная энергия, а цепь нагрузки замыкается вслед за этим, то в согласии с законами сохранения энергии и магнитного потока, 15 имеем Ер=Ео/(1- Л), Ен=ЕоЛ /(1+Л),Ьвп=Ео Л /(14 Л)20 где Ег, - энергия, оставшаяся в цепи разряда;Ен - энергия, переданная в нагрузку;Езвп - энергия, выделенная в ЭВП. 25 Коэффициент передачи энергии в нагрузку 7 ГЕн/Ео= Л/(1+ Л) имеет максимум, равный 25 , когда Л=-1 (ь=р). Качественно малая мощность импульса в нагрузке в известном ФИТ следует из того, что начальная 30 плотность магнитного потока (т,е. по суще,ству начальная энергия магнитного поля Ео= Фо /2 Ер, где Ф,=д 1 - начальный маг 2нитный поток) после разрыва цепи разряда уменьшается, так как поток, сосредоточен- З 5 ный вначале лишь в Ер, распределяется затем и в .н, сравнимом с р, В результате 50 энергии распределяется поровну (в оптимальном случае Ь=(р между нагрузкой и формирователем, а остальные 50 энергии 40 теряется в ЭВП, Прим выполнении ЭВП по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводников, включенных параллельно между собой и изолированных диэлектриком друг от друга, энергия маг нитного поля в процессе разряда источника тока запасается не только в индуктивностир, но и в коаксиальных полостях между проводниками; не замкнута лишь цепь нагрузки. Вначале все токи циркулируют в 50 каждом проводнике, а в нагрузке формируется импульс при электрическом взрыве последнего в направлении от ввода к выводу проводника, Как в том, так и в другом случае мощность формируемого импульса в на грузке возрастает по сравнению с одноступенным, однократным обострением вследствие большей эффективности передачи энергии из-за лучшего согласования цепи питанияи натрузки, Эффективность (КПД) передачи энергии в нагрузку определяется в этом случае выражением /у =Л/(1 +Л). Оптимальное распределение плотности тока связывается с оптимальным распределением йндуктивности полостей формирователя, При одинаковых значениях индуктивностей полостей между цилиндрическими коаксиальными проводниками и Л=З можно достигнуть 60 эффективности передачи энергии е нагрузку, Во-вторых, если сопротивление каждогб предыдущего проводника выполнить на порядок меньше, а массу на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, то мощность формируемого импульса в нагрузке заметно увеличится, так как ЭВП, на который подан сформированный от предыдущего. ЭВП короткий высоковольтный импульс,.формирует еще более короткий и высоковольтный импульс напряжения на проводнике, сопротивление которого на пооядок больше предыдущего, Коэффициент усиления мощности по передаче магнитной энергии от секции к секции при отношении индуктивностей между секциями -1 определяется соотношением К=Рн/ИРэцл, где Р - мощность импульса в нагрузке, Рэ 8 л - мощность, выделяемая в ЭВП, й - число электровзрывных проводников. В сравнении с прототипом заявляемый обьект отличается тем, что вместо проводников в виде набора проволочек, навитых спиралью на диэлектрических нитях, укрепленных между электродами и имеющих относительно малую. площадь токонесущей поверхности, ЭВП выполнен по меньшей мере из двух цилиндрических коаксиальных проводников, включенных параллельно между собой и изолированных друг от друга,оНовым является коаксиальная цилиндрическая геометрия ЭВП и то, что материал одного из проводников, может отличаться от материала других проводников, например, один проводник выполнен из медной фольги, другой - из титановой фольги, третий - из железной фольги, четвертый - из напыленного на диэлектрическую подложку тонкого алюминиевого слоя и т.да согласующие индуктивности выполнены в виде заполненных диэлектриком коаксиальных полостей между проводниками, Выполнением ЭВП в виде нескольких коаксиальных цилиндрических проводников, включенных параллельно, обеспечивается увеличение механической и электрической прочности, повышение амплитуды передаваемого тока и уменьшение индуктивности ФИТ, из-за чего сокращены постоянная времени т идлительность импульса тока, а мощностьувеличена, Отличительным существеннымпризнаком заявляемого изобретения является и то, что коаксиальные цилиндрическиепроводники изолированы друг от друга, чем 5обеспечивается повышение напряженностиэлектрического поля на поверхности взрываемого проводника, так как ударная волнаот ЭВП распространяется не в воздухе, а втолще диэлектрика и развитие электрической дуги затруднено, Рост мощности обусловлен таким образом увеличенными токоми напряжением на ЭВП. увеличенной площадью токонесущей поверхности цилиндрических проводников, через которые 15пропускается мощность от источника к нагрузке, увеличенным числом электрическивзрываемых проводников, и тем, что сопротивление каждого предыдущего проводника на порядок меньше, а масса на порядок 20больше, чем последующего по направлениюот ввода к выводу, что достигается использованием различных металлов, Каждый проводящий элемент может быть выполнен ввиде сплошных цилиндрических оболочек, 25набора отдельных полос различной конфигурации или проволочек, расположенныхпо образующим цилиндра,Соотношения масс и сопротивленийпроводящих элементов обеспечивают условия согласования источника тока с нагрузкой, путем эффективного взрыва каждогопроводящего элемента с меньшими потерями энергии. Сопротивление последующегопроводящего элемента выбрано большим 35на порядок для того, чтобы оно не влияло наработу источника тока практически до момента взрыва предыдущего проводящегоэлемента. Масса последующего проводящего элемента выбрана на порядок меньше, 40для того, чтобы после взрыва предыдущегоэлемента осуществить взрыв последующегоэлемента за существенно меньшее время.При взрыве предыдущего элемента происходит увеличение его сопротивления, Эта 45величина может быть резко уменьшена изза вторичного пробоя по продуктам взрываэтого проводящего элемента. В связи сэтим источник тока будет зашунтирован,Чтобы этого не произошло необходимо 50взрыв последующего элемента произвестиза время меньшее, чем произойдет вторичный пробой. Это обеспечивается подбороммассы и сопротивления, Соотношение сопротивлений и массы проводящих элементов в коаксиальной геометрииобеспечивается выбором толщины и материала элементов ЭВП,При анализе заявляемого обьекта на соответствие критерию изобретения "существенные отличия" не обнаружены технические решения, содержащие отличительныепризнаки заявляемого объекта, Таким образом, заявляемое техническое решение отвечает критерию изобретения "существенныеотличия,На чертеже изображен заявляемыйформирователь импульса тока,Он содержит электрически взрываемыйпроводник 1,2, ввод 3 и вывод 4 для подключения источника тока и нагрузки. ЭВП выполнен по меньшей мере из двухцилиндрических коаксиальных проводящихэлементов 1,2, включенных параллельномежду собой и изолированны" руг от другадиэлектриком 5, Сопротив, ие каждогопредыдущего проводящего элемента 1 напорядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего 2 по напрялению отввода 3 к выводу 4,В качестве примера конкретного выполнения приведем ФИТ, содержащий ЭВП1,2, ввсд 3 и вывод 4 (в виде медных пластин), ЭВП выполнен из трех цилиндрических коаксиальных проводников; цилиндра1 из железа "армко", выполненного из листатолщиной 0,7 мм, массой 40 г на единицудлины, медного цилиндра (на чертеже неизображен) толщиной 10 мм, массой,6 гна 1 см длины и цилиндра 2 из напыленногона диэлектрик 5 слоя, алюминия толщиной-100 А с погонной массой -1,5 10г/см, Начальные сопротивления цилиндров равнысоответственно 10 Ом, 10 Ои и 0,8 10-зОм диэлектрик 5 - стеклоткань, пропитанная эпоксидным компаундом ЗК, огонные индуктивности полостей междуцилиндрами равны 0,1 нГн/см. В процессероста тока источника (МК-генератора) завремя то ь 15-20 мкс первый цилиндр из железа "армко" нагревается до температурывыше температуры плавления и его сопротивление (к моменту максимума тока источника) увеличивается -в 14 раз.Максимальная амплитуда тока по первому ивторому цилиндру составила величину 15,3МА производная тока (по времени) -=410 А/с и переданная мощность б 10 Вт,1 ОПосле взрыва второго (медного) цилиндрамощность возросла до -3 10 Вт, а послевзрыва 3-го - до 5 10 Вт. Амплитуда тока12в нагрузке индуктивностью -10 нГн составила 25 МА с эффективным временем 0,5мкс нарастания от 0,1 до 0,8 от максимального значения тока,Использование формирователя импульса тока, в котором электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мереиз двух цилиндрических коаксиальных про1756966 10 Составитель Б.Бойко Техред М.Моргентал актор А,Б ректор Е.Папп Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при. ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 аказ 3093 ВНИИПосудар одственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 П водящих элементов с определенным соотношением сопротивления и массы, позволяет осуществить вывод энергии в нагрузку с большей в несколько раз мощностью в срав. нении с ФИТ. в котором лишь один ЭВП малого сечения и большой длины,Формула изобретенияФормирователь импульса тока, содержащий электрически взрываемый проводник, ввод для подключения источника тока и вывод для подключения нагрузки, о т л ич а ю щ и й с я тем, что. с целью увеличения мощности формируемого импульса, указанный электрически взрываемый проводник выполнен по меньшей мере из двух проводящих элементов, каждый из которых вы полнен в виде полого цилиндра, причемукаэанные проводящие элементы установлены коаксиально,изолированы один отдругого и включены параллельно при этом сопротивление каждого предыдущего про водящего элемента на порядок меньше, амасса на порядок больше, чем последующего по направлению от внешнего проводящего элемента к внутреннему,