линия передачи импульсов электромагнитной энергии

Формула изобретения

Линия передачи импульсов электромагнитной энергии, содержащая коаксиальный внутренний и внешний электроды, отличающаяся тем, что каждый электрод выполнен в форме сегмента сферы, а центры сфер совпадают и распложены на оси симметрии линии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к линиям передачи энергии от импульсных источников, и может использоваться, например, в импульсной энергетике, а также на различных физических установках.

В качестве аналога выбрана "Линия передачи электромагнитных импульсов для Z-пинчевых нагрузок" (авторы В.К. Чернышев, В.А. Васюков, Н.П. Бидыло и В. П. Погорелов, а.с. 1558232, мпк⁶ G 21 В 1/00), содержащая источник тока, размыкатель, два полых коаксиальных электрода с плоскими торцовыми участками. К недостаткам передающей линии (ПЛ) следует отнести наличие паразитной собственной индуктивности ПЛ, в которой остается часть передаваемой энергии, что соответственно уменьшает долю энергии, достигающей нагрузки. ПЛ такой формы (сочетание цилиндрических сегментов с разными радиусами внешних и внутренних электродов) не обеспечивает минимальности собственной индуктивности.

В качестве прототипа выбрана линия передачи импульсов электромагнитной энергии (в сб. "Сверхсильные магнитные поля." Тр. международной конференции MG-III. М., Наука, 1984, стр. 406-409, авторы А.А. Петрухин, Н.П. Бидыло, С. Ф. Гаранин и др.), в которой для передачи импульса энергии от источника тока, имеющего больший радиус, к нагрузке, расположенной на меньшем радиусе, используется ПЛ, содержащая коаксиальный внутренний и внешний электроды. В отличие от аналога, источник и нагрузка, расположенные на разных радиусах, связаны коаксиальной ПЛ, имеющей форму конуса, который наикратчайшим геометрическим путем соединяет выход источника и вход нагрузки. Если источник и нагрузка расположены на одном радиусе, то ПЛ выполняется в форме цилиндра того же радиуса (что является частным случаем конуса). Технический результат (уменьшение собственной индуктивности ПЛ) в прототипе по сравнению с аналогом достигается за счет меньшей площади ПЛ (в плоскости осевого сечения). Однако и такая форма ПЛ, выполненная вдоль наикратчайшего пути от источника до нагрузки, не обладает минимальной собственной индуктивностью (при фиксированной толщине ПЛ, которая определяется условием ее электропрочности).

Решаемой задачей данного изобретения является создание линии передачи электромагнитной энергии с максимальной эффективностью передачи энергии от импульсного источника к нагрузке.

Техническим результатом при решении данной задачи является минимизация собственной индуктивности линии передачи и уменьшение потерь при передаче импульсов электромагнитной энергии.

Сущность заявляемого решения заключается в том, что по сравнению с известной линией передачи импульсов электромагнитной энергии, содержащей коаксиальные внутренний и внешний электроды, новым является то, что каждый электрод выполнен в форме сегмента сферы, а центры сфер совпадают и расположены на оси симметрии линии.

При передаче электромагнитной энергии к нагрузке от источника (взрывомагнитного генератора, индуктивного накопителя и т.д.) используется передающая линия. Основное требование к ПЛ - достаточная электропрочность, обеспечивающая отсутствие пробоев в зазоре между электродами и определяющая величину зазора (толщину ПЛ). Поскольку индуктивность ПЛ является паразитной, то второе требование к ПЛ - минимум собственной индуктивности.

Величину индуктивности коаксиальной ПЛ, составляющей контур АВСД, можно записать как интеграл



где dS - элемент площади,

r(z) - зависимость радиуса одного из электродов (например, внешнего) в цилиндрических координатах (r, z),

₀ - магнитная проницаемость вакуума.

Ясно, что минимальность индуктивности L можно обеспечить как за счет малости площади S, так и путем увеличения радиуса r(z). Наличие двух конкурирующих факторов, определяющих величину индуктивности ПЛ, однозначно говорит о существовании оптимальной формы r(z), обладающей минимально возможной индуктивностью. Определим эту форму.

Пусть в окрестности точки z функция r(z) дважды дифференцируема. Для ПЛ с малым зазором d₀<<r выражение (1) принимает вид



В ПЛ с малым зазором могут стать существенными диффузионные потери в электродах. Величина этих потерь определяется активным сопротивлением, вносимым в контур. В магнитных полях до ~0.3 МГс активное сопротивление ПЛ пропорционально так что требование на минимальность активного сопротивления ПЛ совпадает с требованием минимальности индуктивности (2).

На гладких интервалах искомая экстремаль должна удовлетворять уравнению Эйлера для подынтегральной функции F из (2)



где - частные производные F по соответственно. После интегрирования получаем общее решение вариационной задачи для гладких функций в виде уравнения окружности радиуса R с центром на оси OZ (С, R - константы интегрирования)

(z-С)²+r²=R². (3)

Расширим класс искомых r(z) до непрерывных, кусочно-гладких функций. Искомая экстремаль в предполагаемой точке разрыва производной z₁ должна удовлетворять условию равенства частных производных справа и слева от z₁: Подставляя F из (2), получаем т. е. экстремум (в нашем случае - минимум) достигается на функции, всюду дифференцируемой на интервале (0;l), где l - расстояние вдоль оси от источника до нагрузки. Формула (3) вместе с граничными условиями

r(z_A)=а>0, r(z_B)=b>0 (4)

определяет искомую форму внешнего электрода ПЛ с минимальной индуктивностью в виде сегмента сферы с центром на оси системы



Ясно, что внутренний электрод ПЛ также имеет форму сегмента сферы с радиусом меньшим на величину зазора d₀, причем центры сфер совпадают и расположены на оси. Подставляя (5) в (2), находим величину индуктивности тонкой ПЛ



Рассмотрение ПЛ с величиной зазора, сравнимой с радиусом (двумерный случай), приводит к аналогичной форме внешнего электрода в форме сегмента сферы, соединяющего источник и нагрузку в точках А и В. Соединение внутреннего электрода с источником в точке Д и с нагрузкой в точке С осуществляется с помощью сегмента сферы меньшего радиуса (на величину зазора ПЛ) и двух других сегментов тора с малым радиусом d₀ (дуги сопряжения).

На фиг. 1 и 2 представлена заявляемая линия передачи импульсов электромагнитной энергии, содержащая коаксиальные внешний (1) и внутренний (2) электроды, соединяющая выход источника (3) и вход нагрузки (4), отличающаяся тем, что с для сокращения потерь передаваемой энергии за счет минимизации собственной индуктивности каждый электрод выполнен в форме сегмента сферы, а центры сфер совпадают и расположены на оси симметрии линии (в точке О). Соединение внутреннего электрода с выходом источника (в точке Д) и входом нагрузки (в точке С) осуществляется, например, сегментами тора (5) с малым радиусом, равным величине зазора ПЛ.

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим следующую схему: источник энергии - взрывомагнитный генератор импульсов тока с коаксиальным выходом на радиусе а=0.5 м (описан в докладе "HEL-1: A DEMG BASED DEMONSTRATION OF SOLID LINER IMPLOSIONS AT 100 MA" на 11 международной конференции по созданию мощных импульсов энергии РРС-11, Балтимор, США, 1997, стр. 378-383). Пусть вход нагрузки (лайнер или Z-пинч и т.п.) с величиной индуктивности L_нагр=10 нГ расположен на радиусе b=0.1 м. Расстояние вдоль оси l между источником и нагрузкой определяется из условий сохранения нагрузки от разрушающего воздействия ударной волны, безопасности и пр. и может быть различным. Величина зазора ПЛ зависит от значения электропрочности используемого изолятора. Для определенности выберем его характерную толщину d₀=1 мм. В качестве материала электродов ПЛ необходимо применять проводники с малым удельным сопротивлением, например, медь и алюминий. Напомним, что сферическая форма ПЛ одновременно обеспечивает минимальность диффузионных потерь энергии вдоль ПЛ. Радиус сферы внешнего электрода R определяется из (5) в зависимости от выбранных значений а, b, l. Радиус внутреннего электрода меньше на величину зазора d₀ (в данном случае 1 мм). Центры сфер совпадают и лежат на оси в точке О, удаленной от источника на расстояние Z₀ вдоль оси в направлении нагрузки. В таблице приведены значения R, Z₀ и индуктивности ПЛ L_сфер для выбранных значений a, b, d₀ и различных значений длины l.

Работа устройства происходит следующим образом. Источник энергии (взрывомагнитный генератор импульса тока) вводит в ПЛ энергию в виде магнитного поля, которая, пройдя вдоль ПЛ, поступает на вход нагрузки. Поскольку ПЛ и нагрузка составляют единый токовый контур, то часть энергии остается в ПЛ и не доходит до нагрузки. Доля потерь энергии в ПЛ равна

К=L_пл/(L_пл+L_нагр).

Для сравнения в таблице приведены соответствующие значения индуктивности конической коаксиальной ПЛ L_конус, кратчайшим путем соединяющей выход источника и вход нагрузки (прототип). Как следует из таблицы, величина индуктивности и потери энергии для сферической ПЛ меньше, чем для конической ПЛ, выбранной в качестве прототипа. Причем различие возрастает по мере увеличения расстояния l между источником и нагрузкой, достигая нескольких раз при l>>a,b.

Таким образом, заявляемая линия передачи импульсов электромагнитной энергии, имеющая электроды в форме сегментов сферы с центром на оси, обладает минимальной паразитной собственной индуктивностью и позволяет уменьшить потери энергии при передаче.