ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11
Текст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.23
УДК: 621.319.533.9
17-я Международная конференция
«Газоразрядная плазма и ее применения»
Екатеринбург, Россия, 8-12 сентября 2025
Режимы работы ферромагнитного сердечника
трансформатора тока нагрузки в каскадной схеме
на генераторе ГИТ-12
В.А. Кокшенев, В.А. Синебрюхов, А.А. Жерлицын
Институт сильноточной электроники СО РАН
634055, Томск, пр. Академический, 2/3
Статья поступила в редакцию 2 октября 2025 г.
Аннотация. Для повышения амплитуды тока и мощности импульса в нагрузках типа Z-пинча на генераторе ГИТ-12 продолжены исследования каскадной схемы. Это новая технология мощной импульсной техники, в которой на выходе микросекундного генератора установлен каскад из плазменного прерывателя тока и трансформатора тока с ферромагнитным сердечником с коэффициентом увеличения по току 2 при амплитуде тока в нагрузке до 5 МА. Компактное расположение трансформатора тока внутри центрального электрода плазменного ключа позволило минимизировать индуктивность тракта подвода энергии к нагрузке. Возможность реализации удвоенной амплитуды тока в нагрузке связана с использованием ферромагнитного сердечника в объеме индуктивности развязки. Рассмотрены вопросы функционирования сердечника при использовании вакуумной изоляции. Для разработанной конструкции определена величина импульсного рабочего напряжения 1 MВ. Приведены результаты тестовых экспериментов работы каскадной схемы на лайнерную нагрузку при пиковом токе имплозии до 4 МА. На основе численных расчетов определен диапазон возможных характеристик плазменного ключа и Z-пинч нагрузки, нелинейные процессы в которых формируют на сердечнике импульсы напряжения, позволяющие иметь вольт-секундный интеграл не выше величины насыщения сердечника. Анализ расчетных и экспериментальных результатов позволил определить проблемные места в изоляции сердечника и функционировании кросс-ввода и предложить пути их устранения.
Ключевые слова: генератор Маркса, трансформатора тока нагрузки, ферромагнитный сердечник, плазменный прерыватель тока, Z-пинч.
Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по теме № FWRM-2021-0001.
Автор для переписки: Кокшенев Владимир Алексеевич, vak@oit.hcei.tsc.ru
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по теме № FWRM-2021-0001.
Литература
1. Gong Z. et al. Model of a 5-MA Linear-Transformer-Driver Accelerator: Comparison of MITL Performance for Bremsstrahlung Electron Beam Diodes and Z-Pinch Loads // Laser and Particle Beams. – 2023. – Т. 2023. – С. e13. https://doi.org/10.1155/2023/2021696
2. Spielman R.B. et al. Conceptual design of a 15-TW pulsed-power accelerator for high-energydensity- physics experiments // Matter and Radiation at Extremes. – 2017. – T. 2. – C. 204–223. https://doi.org/10.1016/j.mre.2017.05.002
3. d'Almeida T. et al. Microsecond ramp compression of a metallic liner driven by a 5 MA current on the SPHINX machine using a dynamic load current multiplier pulse shaping // Physics of Plasmas. – 2013. – Т. 20. – №. 9. https://doi.org/10.1063/1.4823720
4. Kokshenev V.A. et al. Investigation of the MPOS-LCM cascade scheme on the GIT-12 generator // Proceedings of 16th Symposium on High Current Electronics. Tomsk, Russia. – 2010. – C. 344-348.
5. Кокшенев B.А. Анализ эффективности комбинированных схем умножения мощности мегаджоульного диапазона для z-пинч нагрузок // Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. Tomsk, Russia. – 2024. https://doi.org/10.56761/EFRE2024.S4-P-027203
6. Chuvatin A.S. et al. Current multiplier to improve generator-to-load coupling for pulse-power generators // Review of scientific instruments. – 2005. – Т. 76. – №. 6. https://doi.org/10.1063/1.1928450
7. Chuvatin A.S. et al. Operation of a load current multiplier on a nanosecond mega-ampere pulse forming line generator // Physical Review Special Topics–Accelerators and Beams. – 2010. – Т. 13. – №. 1. – С. 010401. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.13.010401
8. Чайковский С.А., Чуватин А.С., Орешкин В.И. Трансформатор тока нагрузки тераваттного генератора МИГ // Приборы и техника эксперимента. – 2012. – №. 2. – С. 67-76.
9. Chuvatin A.S. et al. Design criteria and validation of a vacuum load current multiplier on a mega-ampere microsecond inductive storage generator // Laser and Particle Beams. – 2010. – Т. 28. – №. 3. – С. 361-369. https://doi.org/10.1017/S0263034610000224
10. Kokshenev V.A. Vacuum Insulation of a Ferromagnetic Core in a Megaampere Load Current Multiplier // Proceedings of 25th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Tomsk, Russia. – 2012. C. 433-436. https://doi.org/10.1109/DEIV.2012.6412548
11. Kokshenev V.A. Microsecond plasma opening switch: pro et contra // Proceedings of 25th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Tomsk, Russia. – 2012. C. 437-440. https://doi.org/10.1109/DEIV.2012.6412549
12. Кокшенев B.А. Регистрация мегаамперных токов и мегавольтных напряжений на генераторе ГИТ-12 // Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. Tomsk, Russia. – 2024. https://doi.org/10.56761/EFRE2024.S4-P-027202
13. Ананьев С.С. и др. Транспортирующие свойства сильноточной магнитоизолированной передающей линии и динамика приэлектродной плазмы // Физика плазмы. – 2008. – Т. 34. – №. 7. – С. 627-640.
14. Ковалев В.Г. и др. Работа вакуумной линии с магнитной самоизоляцией при микросекундных длительностях импульса // Журнал технической физики. – 1992. – Т. 62. – №. 7. – С. 121-133.
15. Беломытцев С.Я. и др. Расчет характеристик волны магнитной самоизоляции в вакуумной передающей линии на основе законов сохранения // Журнал технической физики. – 2006. – Т. 76. – №. 11. – С. 108.
16. Bergeron K.D. Equivalent circuit approach to long magnetically insulated transmission lines // Journal of Applied Physics. – 1977. – Т. 48. – №. 7. – С. 3065-3069. https://doi.org/10.1063/1.324075
17. Di Capua M.S., Pellinen D.G. Propagation of power pulses in magnetically insulated vacuum transmission lines // Journal of Applied Physics. – 1979. – Т. 50. – №. 5. – С. 3713-3720. https://doi.org/10.1063/1.326277
18. Madrid E.A. et al. Steady-state modeling of current loss in a post-hole convolute driven by high power magnetically insulated transmission lines // Physical Review Special Topics–Accelerators and Beams. – 2013. – Т. 16. – №. 12. – С. 120401. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.16.120401
19. Кокшенев В.А. и др. Плазменный источник излучения на основе газового лайнера с внешней плазменной оболочкой в цепи мегаамперного удвоителя тока нагрузки // Изв. вузов. Физика. – 2017. – Т. 60. – № 8. – С. 142-147.
20. Shishlov A.V. et al. Generation of Ar K-shell radiation using a hybrid gas puff with an outer plasma shell // Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. – 2022. https://doi.org/10.56761/EFRE2022.S2-O-011601
Для цитирования:
Кокшенев В.А., В.А. Синебрюхов В.А., А.А. Жерлицын А.А. Режимы работы ферромагнитного сердечника трансформатора тока нагрузки в каскадной схеме на генераторе ГИТ-12 //Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 11.