RU2547235C1

RU2547235C1 - Multi-module generator of high-voltage pulses with multi-terawatt power

Info

Publication number: RU2547235C1
Application number: RU2013149591/08A
Authority: RU
Inventors: Николай Валентинович Завьялов; Валерий Тихонович Пунин; Валерий Федорович Басманов; Вячеслав Серафимович Гордеев; Александр Владимирович Гришин; Геннадий Алексеевич Мысков; Сергей Тихонович Назаренко; Владимир Станиславович Павлов; Сергей Юрьевич Пучагин; Кирилл Валерьевич Страбыкин
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-04-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is related to power supply facilities intended for survey installations in different areas of physics of high energy density. In the device a system of module high-voltage pulse generation is based on a double graded generating line (DGGL), and a pre-pulse commutator consists of cell-type tubes actuated at the drop of the first positive voltage half-wave generated by DGGL, at that the inner ground electrode of DGGL forms a paraxial cavity, wherein booster cables are placed for start-up of cell-type tubes for the pre-pulse commutator.

EFFECT: reduced time spread for the actuation of multi-terawatt generator modules.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной мощной импульсной технике и может быть использовано в качестве системы энергоснабжения установок для исследований в различных областях физики высоких плотностей энергии.The invention relates to high-voltage powerful pulsed technology and can be used as a power supply system for installations for research in various fields of high energy density physics.

Для ряда применений в области радиационной физики и физики плазмы требуются мощные (десятки ТВт) сильноточные (десятки МА) генераторы электромагнитных импульсов длительностью 10-100 нс. Это весьма дорогие и крупногабаритные электрофизические установки с характерным размером несколько десятков метров. Обычно в установках подобного класса используется до нескольких десятков параллельно включенных типовых модулей. Использование полностью автономных модулей, расположенных в отдельных корпусах, значительно снижает объем повреждений при аварийной работе установки, когда в одном из модулей происходит электрический пробой высоковольтной изоляции. Следует отметить, что далеко не каждая установка с подходящими параметрами может быть использована в качестве такого модуля. К модулям предъявляются жесткие требования по разновременности их включения по отношению друг к другу, которая должна находиться в пределах нескольких не. В случае работы модулей установки на автономные вакуумные диоды данные требования обусловлены необходимостью получения сравнительно короткого импульса излучения, а также требованиями к однородности поля излучения. В случае работы модулей на единую лайнерную нагрузку в режиме генерации импульса мягкого рентгеновского излучения данное требование обусловлено тем, что увеличение разновременности срабатывания модулей приводит к существенному уменьшению энерговклада в нагрузку.A number of applications in the field of radiation physics and plasma physics require powerful (tens of TW) high-current (tens of MA) generators of electromagnetic pulses with a duration of 10-100 ns. These are very expensive and large-sized electrophysical installations with a characteristic size of several tens of meters. Typically, installations of this class use up to several dozen parallel-connected typical modules. The use of fully autonomous modules located in separate buildings significantly reduces the amount of damage during emergency operation of the installation when an electrical breakdown of high-voltage insulation occurs in one of the modules. It should be noted that not every installation with suitable parameters can be used as such a module. The modules are subject to stringent requirements at the time of their inclusion in relation to each other, which should be within a few not. In the case of operation of the installation modules for autonomous vacuum diodes, these requirements are due to the need to obtain a relatively short radiation pulse, as well as the requirements for uniformity of the radiation field. In the case of operation of the modules on a single liner load in the mode of generation of a soft x-ray pulse, this requirement is due to the fact that an increase in the time difference between the operation of the modules leads to a significant decrease in the energy input to the load.

Известна конструкция многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности DECADE (Sincerny P., Ashby S., Childers K. et al. The DECADE High Power Generator. 9-th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, - 1993. - V.2. - PP.880-883.). Это мощный генератор, предназначенный для получения импульсов тормозного излучения при использовании матрицы из автономных вакуумных диодов, а также генерации мягкого рентгеновского излучения при работе на общую для всех модулей плазменную нагрузку. Установка DECADE состоит из 16 автономных типовых модулей, включенных параллельно с синхронизацией их работы. Модули размещены в пределах полуокружности на двух вертикальных уровнях.A well-known design of a multi-module high-voltage multi-watt pulse generator DECADE (Sincerny P., Ashby S., Childers K. et al. The DECADE High Power Generator. 9th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, - 1993 . - V.2. - PP.880-883.). This is a powerful generator designed to receive bremsstrahlung pulses when using a matrix of autonomous vacuum diodes, as well as to generate soft x-rays when working on a common plasma load for all modules. The DECADE installation consists of 16 stand-alone typical modules included in parallel with synchronization of their work. The modules are placed within the semicircle at two vertical levels.

Модуль установки DECADE построен по схеме с индуктивно-емкостным накоплением энергии. Каждый такой модуль содержит генератор импульсных напряжений, промежуточный емкостной накопитель энергии, состоящий из 32 коаксиальных линий с водяной изоляцией, многоканальный коммутатор, состоящий из 6 управляемых газонаполненных разрядников, водяную коаксиальную передающую линию (ВПЛ), короткий отрезок масляной линии, ускорительную трубку, отделяющую масляную линию от вакуумной части модуля. В вакуумной части располагается индуктивный накопитель энергии, выполненный в виде вакуумной коаксиальной магнитоизолированной передающей линии (МИПЛ) длиной 3,5 м. Прямой участок МИПЛ имеет волновое сопротивление 5 Ом, изогнутый - 7,5 Ом. Изогнутость необходима для формирования однородного поля тормозного излучения на площади 1×1 м² путем создания мозаичной структуры из 16 диодов. На конце изогнутого участка МИПЛ расположен плазменный прерыватель тока (ППТ). При размыкании ППТ энергия передается либо в независимый вакуумный диод, либо через вакуумное конволютное соединение все 16 модулей подключаются к единой плазменной нагрузке.The DECADE installation module is built according to the scheme with inductive-capacitive energy storage. Each such module contains a pulse voltage generator, an intermediate capacitive energy storage unit, consisting of 32 water-insulated coaxial lines, a multi-channel switch, consisting of 6 gas-filled controllable arresters, a water coaxial transmission line (IDL), a short length of the oil line, and an accelerator tube separating the oil line from the vacuum part of the module. In the vacuum part there is an inductive energy storage device made in the form of a 3.5 m long coaxial magnetically insulated transmission line (MIPL). The direct part of the MIPL has a wave impedance of 5 Ohms, a curved - 7.5 Ohms. Curvature is necessary for the formation of a uniform field of bremsstrahlung over an area of 1 × 1 m ² by creating a mosaic structure of 16 diodes. At the end of the bent section of the MIPL is a plasma current chopper (PPT). When the PCB opens, the energy is transferred either to an independent vacuum diode, or through a vacuum convolute connection, all 16 modules are connected to a single plasma load.

Параметры шестнадцатимодульного генератора DECADE в режиме работы модулей на автономные вакуумные диоды: максимальное напряжение на диодах 1,8 MB, суммарный ток электронных пучков 22 МА, энергия пучков 2,5 МДж, мощность 35 ТВт.Parameters of the sixteen-module DECADE generator in the operating mode of the modules for stand-alone vacuum diodes: the maximum voltage on the diodes is 1.8 MB, the total electron beam current is 22 MA, the beam energy is 2.5 MJ, and the power is 35 TW.

Недостатком установки является использование в схеме формирования выходного электромагнитного импульса ППТ, который по сути своей является неуправляемым коммутатором. Момент размыкания тока в ППТ изменяется путем подбора количества источников плазмы, режима их работы, задержкой между инжекцией тока и началом тока через ППТ и т.д. Использование ППТ приводит к сложности синхронизации модулей между собой, и к сравнительно большому разбросу времени их срабатывания. На модуле установки DECADE достигнут среднеквадратичный разброс времени срабатывания модулей ±8 нс при длительности импульса тормозного излучения на полувысоте 40 нс.The disadvantage of the installation is the use in the circuit of the formation of the output electromagnetic pulse PPT, which in essence is an uncontrolled switch. The moment of opening current in the PMT is changed by selecting the number of plasma sources, their operating mode, the delay between the current injection and the beginning of the current through the PMT, etc. Using the PMT leads to the difficulty of synchronizing the modules with each other, and to a relatively large scatter in the time of their operation. On the DECADE installation module, a rms spread of the module response time of ± 8 ns was achieved with a bremsstrahlung pulse duration at half maximum 40 ns.

В качестве прототипа выбрана конструкция многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераватгной мощности установки «Ангара-5-1» (З.А. Альбиков, Е.П. Велихов, А.И. Веретенников и др. Экспериментальный комплекс «Ангара-5-1», Атомная энергия, 1990, т.68, вып.1., с.26-35). Генератор высоковольтных импульсов установки «Ангара-5-1», предназначенной для генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения, состоит из восьми автономных типовых модулей, включенных параллельно, работающих независимо друг от друга, с синхронизацией их включения и расположенных равномерно по окружности.As a prototype, the design of the multi-module high-voltage pulse generator of multiterawatt power of the Angara-5-1 installation was chosen (Z. A. Albikov, E. P. Velikhov, A. I. Veretennikov and others. The Angara-5-1 experimental complex, Atomic Energy, 1990, vol. 68, issue 1., P. 26-35). The high-voltage pulse generator of the Angara-5-1 installation, designed to generate powerful pulses of soft X-ray radiation, consists of eight autonomous typical modules connected in parallel, working independently of each other, synchronizing their switching on and evenly distributed around the circumference.

Каждый модуль содержит генератор импульсных напряжений, систему формирования высоковольтных импульсов, выполненную по схеме двойной формирующей линии (ДФЛ) с водяной изоляцией с пятью управляемыми газонаполненными коммутаторами, неуправляемый газонаполненный предымпульсный коммутатор, состоящий из одного разрядника, расположенного на оси ДФЛ и работающего в режиме самопробоя, водяную коаксиальную передающую линию, ускорительную трубку с секционированным изолятором, отделяющим объем, заполненный жидким диэлектриком от вакуумного объема, и магнитоизолированную передающую линию.Each module contains a pulse voltage generator, a high-voltage pulse generation system made according to the double forming line (DFL) circuit with water insulation with five controlled gas-filled switches, an uncontrolled gas-filled prepulse switch, consisting of one spark gap located on the DFL axis and operating in a self-breakdown mode, water coaxial transmission line, accelerator tube with a partitioned insulator separating the volume filled with a liquid dielectric from a vacuum bemsya and magnetically transmission line.

Коаксиальные МИПЛ всех модулей генератора сходятся на общую дисковую вакуумную линию для подвода энергии к лайнерной нагрузке, расположенной в центре устройства. Параметры восьмимодульного генератора установки «Ангара-5-1»: максимальное напряжение на согласованной нагрузке 1,5 MB, длительность импульса напряжения на полувысоте 90 нс, максимальный ток в согласованной нагрузке 6 МА, максимальная мощность 9 ТВт, энергия 0,65 МДж.Coaxial MIPLs of all generator modules converge on a common disk vacuum line for supplying energy to the liner load located in the center of the device. Parameters of the eight-module generator of the Angara-5-1 installation: maximum voltage at a matched load of 1.5 MB, voltage pulse duration at half maximum 90 ns, maximum current at a matched load of 6 MA, maximum power of 9 TW, energy of 0.65 MJ.

К недостаткам устройства следует отнести использование на выходе системы формирования высоковольтных импульсов неуправляемого газонаполненного предымпульсного разрядника, работающего в режиме самопробоя, что приводит к увеличению разброса времени срабатывания модулей. Средиеквадратичный разброс времени появления импульса в начале водяной передающей линии в 51% импульсов составляет 15 нс.The disadvantages of the device include the use of an uncontrolled gas-filled prepulse arrestor operating in the self-breakdown mode at the output of the high-voltage pulse generation system, which leads to an increase in the spread in the response time of the modules. The squared time spread of the appearance of the pulse at the beginning of the water transmission line in 51% of the pulses is 15 ns.

Решаемой задачей данного изобретения является возможность создания многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности с синхронной работой всех модулей.The problem of this invention is the ability to create a multi-module generator of high voltage pulses of multi-terawatt power with synchronous operation of all modules.

Техническим результатом при решении данной задачи является уменьшение разброса времени срабатывания модулей мультитераваттного генератора.The technical result in solving this problem is to reduce the dispersion of the response time of the modules of a multiterawatt generator.

Указанный технический результат достигается тем, что многомодульный генератор высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности состоит из автономных типовых модулей, включенных параллельно с синхронизацией их работы, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один генератор импульсных напряжений, систему формирования высоковольтных импульсов на основе линий с водяной изоляцией с управляемым многоканальным коммутатором, водяную передающую линию, предымпульсный коммутатор на входе водяной передающей линии, ускорительную трубку с секционированным изолятором, отделяющим объем, заполненный жидким диэлектриком от вакуумного объема, и магнитоизолированную передающую линию. Отличительной особенностью данного генератора является то, что система формирования высоковольтных импульсов модуля выполнена на основе двойной ступенчатой формирующей линии (ДСФЛ), а предымпульсный коммутатор состоит из управляемых разрядников, срабатывающих на спаде первой, положительной полуволны напряжения, формируемого ДСФЛ, причем внутренний заземленный электрод ДСФЛ образует приосевую полость, в которой проложены кабели запуска разрядников предымпульсного коммутатора. Управляемые разрядники представляют собой газонаполненные разрядники тригатронного типа, установленные равномерно по окружности в отдельном корпусе, заполненном трансформаторным маслом.The indicated technical result is achieved in that the multi-module generator of high voltage pulses of multi-terawatt power consists of autonomous standard modules connected in parallel with synchronization of their work, each of which contains at least one pulse voltage generator, a system for generating high-voltage pulses based on water-insulated lines with controlled multi-channel switch, water transmission line, prepulse switch at the input of water transmission line, accelerator tube with a sectioned insulator separating a volume filled with a liquid dielectric from a vacuum volume and a magnetically isolated transmission line. A distinctive feature of this generator is that the module’s high-voltage pulse generation system is based on a double step forming line (DSFL), and the prepulse switch consists of controlled arresters operating on the decay of the first positive half-wave of voltage generated by the DSFL, and the internal grounded DSFL electrode forms the near-axis cavity in which the cables for starting the arresters of the prepulse switch are laid. The controlled arresters are gas-filled trigatron-type arresters installed uniformly around the circumference in a separate housing filled with transformer oil.

В случае, когда модули заявляемого генератора работают на отдельные вакуумные диоды для генерации мощных импульсов тормозного излучения уменьшение разброса времени срабатывания модулей необходимо для получения однородного поля тормозного излучения (ТИ). Увеличение разброса времени срабатывания модулей при использовании общей для всех модулей лайнерной нагрузки приводит к уменьшению суммарного энерговклада в нагрузку. Поэтому при создании многомодульного мультитераваттного генератора необходимо обеспечивать минимально возможный разброс времени срабатывания его модулей. Использование в составе модуля только управляемых разрядников, включаемых с наносекундной точностью при поступлении к ним высоковольтных пусковых сигналов от системы синхронизации позволяет обеспечить минимально возможный разброс времени срабатывания модулей. Под управляемостью понимается возможность контролируемого запуска разрядника в широком диапазоне рабочих напряжений при выбранном составе и давлении газовой смеси.In the case when the modules of the inventive generator operate on separate vacuum diodes to generate powerful pulses of bremsstrahlung, a decrease in the variation in the response time of the modules is necessary to obtain a uniform field of bremsstrahlung (TI). An increase in the dispersion of the response time of the modules when using a liner load common to all modules leads to a decrease in the total energy input into the load. Therefore, when creating a multi-module multi-terawatt generator, it is necessary to ensure the minimum possible spread in the response time of its modules. The use of only controllable arresters included in the module, switched on with nanosecond accuracy upon receipt of high-voltage starting signals from the synchronization system, ensures the minimum possible spread in the response time of the modules. By controllability is meant the possibility of a controlled start of a spark gap in a wide range of operating voltages at a selected composition and pressure of the gas mixture.

Система формирования высоковольтных импульсов выполнена на базе ДСФЛ, состоящей из четырех отрезков однородных коаксиальных линий с водяной изоляцией приблизительно равной электрической длины ~50 нс. Линии уложены последовательно по радиусу в пределах одного осевого размера с целью уменьшения общей длины модуля. При этом заземленный электрод внутренней линии образует приосевую полость, радиальный размер которой позволяет проложить кабели запуска разрядников предымпульсного коммутатора.The system for generating high-voltage pulses is made on the basis of DSFL, consisting of four segments of homogeneous coaxial lines with water insulation of approximately equal electrical length ~ 50 ns. The lines are laid sequentially along the radius within the same axial dimension in order to reduce the total length of the module. In this case, the grounded electrode of the internal line forms an axial cavity, the radial size of which allows laying the cables for starting the arresters of the prepulse switch.

На фиг.1 представлена компоновочная схема заявляемого многомодульного генератора высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности.Figure 1 presents the layout diagram of the inventive multi-module generator of high voltage pulses of multi-terawatt power.

На фиг.2 показан вид модуля в разрезе, где:Figure 2 shows a sectional view of the module, where:

1 - система формирования высоковольтных импульсов на основе ДСФЛ;1 - a system for generating high voltage pulses based on DSFL;

2 - многоканальный коммутатор системы формирования высоковольтных импульсов;2 - multi-channel switch system for the formation of high-voltage pulses;

3 - предымпульсный коммутатор;3 - prepulse switch;

4 - кабели запуска разрядников предымпульсного коммутатора;4 - cables for starting the arresters of the prepulse switch;

5 - водяная передающая линия;5 - water transmission line;

6 - ускорительная трубка;6 - accelerating tube;

7 - магнитоизолированная передающая линия;7 - magnetically isolated transmission line;

8 - ГИН.8 - GIN.

На фиг.3 приведен график напряжения на выходе ДСФЛ, где А, Б, В - это моменты запуска предымпульсного коммутатора в различных режимах работы модуля. Экспериментально было получено, что в режиме работы генератора на нагрузку с запуском управляемых разрядников предымпульсного коммутатора на спаде первой, положительной полуволны напряжения, формируемого ДСФЛ, т.е. в момент времени, соответствующий точке Б, достигается среднеквадратичный разброс времени срабатывания модуля ±3 нс.Figure 3 shows a graph of the voltage at the output of the DSFL, where A, B, C are the moments of the start of the prepulse switch in various modes of operation of the module. It was experimentally obtained that in the generator operating mode to the load with the start of the controlled arresters of the prepulse switch at the recession of the first, positive half-wave of the voltage generated by the DSFL, i.e. at the point in time corresponding to point B, the rms spread of the module response time is ± 3 ns.

Многомодульный генератор высоковольтных импульсов мультитераваттной мощности состоит из автономных типовых модулей, включенных параллельно, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один генератор импульсных напряжений 8, систему формирования высоковольтных импульсов 1 на основе линий с водяной изоляцией с управляемым многоканальным коммутатором 2, предымпульсный коммутатор 3, водяную передающую линию 5, ускорительную трубку 6 с секционированным изолятором, отделяющим объем, заполненный жидким диэлектриком от вакуумного объема, и магнитоизолированную передающую линию 7.A multi-module generator of high-voltage pulses of multi-terawatt power consists of autonomous standard modules connected in parallel, each of which contains at least one pulse voltage generator 8, a high-voltage pulse generation system 1 based on water-insulated lines with a controlled multi-channel switch 2, prepulse switch 3 , water transmission line 5, accelerator tube 6 with a partitioned insulator separating the volume filled with a liquid dielectric from the vacuum volume, and m agnito-isolated transmission line 7.

Система формирования высоковольтных импульсов 1 модуля выполнена на основе двойной ступенчатой формирующей линии, а предымпульсный коммутатор 3 выполнен в виде блока управляемых газонаполненных разрядников тригатронного типа, установленных равномерно по окружности на входе водяной передающей линии 5, причем внутренний заземленный электрод двойной ступенчатой формирующей линии образует приосевую полость, в которой проложены кабели запуска 4 разрядников предымпульсного коммутатора 3.The high-voltage pulse generation system 1 of the module is made on the basis of a double step forming line, and the prepulse switch 3 is made in the form of a block of controlled gas-filled trigatron type arresters installed uniformly around the circumference at the inlet of the water transmission line 5, and the internal grounded electrode of the double step forming line forms an axial cavity in which the cables for starting 4 arresters of the prepulse switch 3 are laid.

Модуль работает следующим образом. Четыре каскада ДСФЛ за время ≤0,9 мкс заряжаются до напряжения 1,0 MB от двух одинаковых включенных параллельно генераторов Аркадьева - Маркса с суммарным энергозапасом 160 кДж. При достижении максимального зарядного напряжения линий включается многоканальный коммутатор ДСФЛ. В результате волновых процессов на выходе ДСФЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности, рабочим является второй импульс. В требуемый момент времени подаются пусковые импульсы на многоканальный предымпульсный коммутатор. При срабатывании предымпульсного коммутатора энергия из ДСФЛ по ВПЛ передается к ускорительной трубке и далее по МИПЛ к нагрузке (автономные вакуумные диоды или единая лайнерная нагрузка).The module works as follows. Four DSFL cascades for a time ≤0.9 μs are charged to a voltage of 1.0 MB from two identical Arkadyev-Marx generators connected in parallel with a total energy reserve of 160 kJ. When the maximum charging voltage of the lines is reached, the multi-channel DSFL switch is turned on. As a result of wave processes, voltage pulses of alternating polarity are formed at the output of the DSFL, the second pulse is working. At the required time, starting pulses are fed to the multi-channel prepulse switch. When the prepulse switch is triggered, the energy from the DSFL is transferred through the IDPs to the accelerator tube and then through the MIPL to the load (stand-alone vacuum diodes or a single liner load).

Рассмотрим пример конкретной реализации устройства. Генератор состоит из 16 полностью автономных модулей, расположенных радиально в пределах окружности диаметром ~30 м. Каждый модуль включает в себя (по мере продвижения от периферии к центру установки) два генератора Аркадьева-Маркса, систему формирования высоковольтных импульсов, систему передачи электромагнитной энергии и нагрузку в виде сильноточного вакуумного диода. Диоды модулей образуют мозаичную структуру в горизонтальной плоскости для облучения объектов большой площади.Consider an example of a specific implementation of the device. The generator consists of 16 completely autonomous modules located radially within a circle with a diameter of ~ 30 m. Each module includes (as it moves from the periphery to the installation center) two Arkadyev-Marx generators, a system for generating high-voltage pulses, a system for transmitting electromagnetic energy and a load in the form of a high-current vacuum diode. The module diodes form a mosaic structure in the horizontal plane for irradiating large objects.

Система формирования высоковольтных импульсов 1 построена по схеме пятикаскадной ДСФЛ с водяной изоляцией. В идеальном случае данная схема обеспечивает в согласованном режиме работы повышение напряжения в 2,6 раза по сравнению с зарядным напряжением. Коммутация ДСФЛ осуществляется с помощью многоканального коммутатора 2, состоящего из 36 управляемых газонаполненных разрядников, расположенных на внешнем корпусе ДСФЛ. Диаметр корпуса ДСФЛ составляет 2,5 м, осевая длина 2,8 м. В выходной каскад ДСФЛ встроен преобразователь длительности, обеспечивающий повышение в ~2 раза мощности формируемого импульса за счет сокращения в такое же число раз его длительности. Предымпульсный коммутатор 3 установлен на выходе ДСФЛ в отдельном корпусе, заполненном трансформаторным маслом. Он состоит из 6 газонаполненных управляемых разрядников. Разрядники предымпульсного коммутатора заполняются смесью, состоящей из 40% элегаза (SF₆) и 60% азота (N₂). Давление газовой смеси при зарядном напряжении ДСФЛ 1,0 MB составляет 24 ати. Управляющие сигналы от системы синхронизации к разрядникам подаются по пусковым кабелям 4, уложенным в приосевой полости, образованной внутренним заземленным электродом ДСФЛ. Система передачи энергии состоит из водяной передающей линии (ВПЛ) 5 и магнитоизолированной передающей линии (МИПЛ) 6. ВПЛ с диаметрами электродов 1070 мм и 690 мм, состоит из прямого и поворотного участков, причем угол поворота выбирается из условия формирования мозаичной структуры диодов в горизонтальной плоскости. ВПЛ и МИПЛ разделяются секционированным изолятором, имеющим диаметр 480 мм и суммарную высоту колец 490 мм. Средняя расчетная напряженность электрического поля на поверхности изолятора не превышает 55 кВ/см. МИПЛ представляет собой прямую цилиндрическую вакуумную линию с диаметрами электродов 200 мм и 168,3 мм длиной ~1,8 м. На конце МИПЛ устанавливается сильноточный вакуумный диод с кольцевым катодом и плоским анодом из танталовой фольги.The system for generating high-voltage pulses 1 is constructed according to a five-stage DSFL circuit with water insulation. In the ideal case, this circuit provides in a coordinated mode of operation a voltage increase of 2.6 times in comparison with the charging voltage. DSFL switching is carried out using a multi-channel switch 2, consisting of 36 controlled gas-filled arresters located on the external housing of the DSFL. The diameter of the DSFL case is 2.5 m, the axial length is 2.8 m. A duration converter is built into the output stage of the DSFL, which provides an increase of ~ 2 times the power of the generated pulse by reducing its duration by the same number of times. The prepulse switch 3 is installed at the output of the DSFL in a separate housing filled with transformer oil. It consists of 6 gas-filled controllable arresters. Arresters prepulse switch are filled with a mixture consisting of 40% sulfur hexafluoride (SF ₆₎ and 60% of nitrogen (N _2). The pressure of the gas mixture at a charging voltage of DSFL 1.0 MB is 24 ati. The control signals from the synchronization system to the arresters are fed through the start cables 4, laid in the axial cavity formed by the internal grounded DSFL electrode. The energy transmission system consists of a water transmission line (IDL) 5 and a magnetically insulated transmission line (MIPL) 6. IDL with electrode diameters of 1070 mm and 690 mm, consists of a direct and rotary sections, and the rotation angle is selected from the condition of the formation of a mosaic structure of the diodes in horizontal the plane. IDPs and MPSLs are separated by a partitioned insulator having a diameter of 480 mm and a total ring height of 490 mm. The average calculated electric field strength on the surface of the insulator does not exceed 55 kV / cm. MIPL is a straight cylindrical vacuum line with electrode diameters of 200 mm and 168.3 mm ~ 1.8 m long. A high-current vacuum diode with a ring cathode and a flat anode of tantalum foil is installed at the end of the MIPL.

На предприятии были проведены испытания модуля установки. В диодной нагрузке модуля при граничной энергии электронов 2,0 МэВ были получены пучки с током 0,75 МА, максимальной мощностью 1,5 ТВт и энергией в импульсе 80 кДж, длительность импульса ТИ 45 нс. Среднеквадратичный разброс времени появления импульса ТИ относительно пускового импульса не превышает ±3 нс. Таким образом, для шестнадцатимодульной установки можно рассчитывать на следующие параметры: граничная энергия электронов 2,0 МэВ, суммарный ток электронных пучков 12 МА, мощность 24 ТВт, энергия 1,3 МДж.The plant has tested the installation module. In the diode load of the module at a boundary electron energy of 2.0 MeV, beams with a current of 0.75 MA, a maximum power of 1.5 TW and an energy of 80 kJ per pulse were obtained, and a TI pulse duration of 45 ns. The rms spread of the appearance time of the TI pulse relative to the starting pulse does not exceed ± 3 ns. Thus, for a sixteen-module installation, one can count on the following parameters: boundary electron energy 2.0 MeV, total electron beam current 12 MA, power 24 TW, energy 1.3 MJ.

Claims

1. A multi-module generator of high voltage pulses of multi-terawatt power, containing stand-alone typical modules connected in parallel with the synchronization of their work, each of which contains at least one pulse voltage generator, a high-voltage pulse generation system based on water-insulated lines with a controlled multi-channel switch, water transmission line, prepulse switch at the inlet of the water transmission line, accelerator tube with a partitioned insulator separating the volume, s filled with a liquid dielectric from the vacuum volume, and a magnetically insulated transmission line, characterized in that the module’s high-voltage pulse generation system is based on a double stepped forming line, and the prepulse switch consists of controlled arresters operating on the decay of the first positive half-wave voltage generated by the double stepped forming line moreover, the internal grounded electrode of the double stepped forming line forms an axial cavity in which us actuating cables for supplying control signals to the synchronization system startup switch fuses prepulse.

2. The multi-module generator according to claim 1, characterized in that the controlled arresters are gas-filled trigatron-type arresters installed uniformly around the circumference in a separate housing filled with transformer oil.