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: UППТwi4/7. 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