Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

1-MA, 40-kV air insulated Linear Transformer Driver stage

A.A. Zherlitsyn1, E.V. Kumpyak1, A.D. Lenskiy1, A.V. Pavlenko2, A.N. Grigoriev2

1 IHCE SB RAS, Tomsk, Russia
2 RFNC - VNIITF, Snezhinsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.18 UDC 621.373 EDN EDQGSZ

Abstract

In the report we present the design and test results of the new linear transformer driver (LTD) stage, that operates at 40 kV charge voltage without of transformer oil or compressed gas. It consists of 120 capacitors (40 kV, 100 nF) and 40 multi-channel, multi-gap switches. The dimensions of the stage are 2.8 m × 2.8 m, the length is 22 cm. It stores 9.6 kJ of energy and is able to deliver ~1 MA current pulse with a rise time of ~200 ns into the ~20 mOhm matched load. This LTD stage demonstrates the possibility to simplify the design and operation of high-power LTD generators by reducing the charging voltage and using dry air at atmospheric pressure for insulation inside the stage and the switches.

  • powerful high-voltage pulse generators
  • LTD-generator
  • LTD-stage
  • primary capacitive energy storage
  • Multi-gap multi-channel switch
Аннотация (на русском)

1-МА, 40-кВ ЛТД ступень с воздушной изоляцией

В работе представлены конструкция и результаты испытаний мегаамперной ЛТД ступени с зарядным напряжением 40 кВ в изоляции которой не используется трансформаторное масло или газ повышенного давления. Размеры ступени составляют 2,8 м × 2,8 м, длина в осевом направлении 22 см. Емкостной накопитель ступени состоит из 120 конденсаторов (40 кВ, 100 нФ) и 40 многоканальных, многозазорных разрядников. При зарядном напряжении 40 кВ в нем запасается 9,6 кДж энергии. В согласованной нагрузке ~20 мОм ступень генерирует импульс тока амплитудой ~1 МА и фронтом ~200 нс. Данная ЛТД ступень демонстрирует возможность упрощения конструкции и эксплуатации мощных ЛТД генераторов за счет снижения зарядного напряжения и использования сухого воздуха при атмосферном давлении для электрической изоляции как внутри ступеней, так и внутри разрядников.

For citation

Zherlitsyn A.A., Kumpyak E.V., Lenskiy A.D., Pavlenko A.V., Grigoriev A.N. 1-MA, 40-kV air insulated Linear Transformer Driver stage // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.18

References

  1. Sinars D.B. et al. Review of pulsed power-driven high energy density physics research on Z at Sandia // Physics of Plasmas. - 2020. - Т. 27. - №. 7. https://doi.org/10.1063/5.0007476
  2. Lam S.K. et al. Fast discharge energy storage development for advanced X-ray simulators // IEEE transactions on plasma science. - 2005. - Т. 33. - №. 2. - С. 982-989. https://doi.org/10.1109/TPS.2005.845089
  3. Stygar W.A. et al. Impedance-matched Marx generators // Physical Review Accelerators and Beams. - 2017. - Т. 20. - №. 4. - С. 040402. https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.20.040402
  4. Guegan B. et al. Mega-volt impedance-matched Marx // 2021 IEEE Pulsed Power Conference (PPC). - IEEE, 2021. - С. 1-6. https://doi.org/10.1109/PPC40517.2021.9733131
  5. Bastrikov A.N. et al. Primary energy storages based on linear transformer stages // Laser and Particle Beams. - 2003. - Т. 21. - №. 2. - С. 295-299. https://doi.org/10.10170S0263034603212209
  6. Kim A.A., Mazarakis M.G. The story of the LTD development // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2019. - Т. 48. - №. 4. - С. 749-756. https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2954210
  7. Kim A.A. et al. Development and tests of fast 1-MA linear transformer driver stages // Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams. - 2009. - Т. 12. - №. 5. - С. 050402. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.12.050402
  8. Kim A.A. et al. Development of the ultra-fast LTD stage // 2002 14th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS). - IEEE, 2002. - Т. 1. - С. 81-84. https://doi.org/10.1063/1.1530807
  9. Kovalchuk B.M. et al. Pulse generators based on air-insulated linear-transformer-driver stages // Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams. - 2013. - Т. 16. - №. 5. - С. 050401. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.16.050401
  10. Jiang X. et al. A gas-insulated mega-ampere-class linear transformer driver with pluggable bricks // Review of Scientific Instruments. - 2020. - Т. 91. - №. 12. https://doi.org/10.1063/5.0028451
  11. Жерлицын А.А., Кумпяк Е.В. Секция первичного емкостного накопителя энергии с изоляцией воздухом атмосферного давления и зарядным напряжением 40 кВ // 2024 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024). - 2024. - C. 492-497. https://doi.org/10.56761/EFRE2024.S4-P-032002
  12. Ким А.А. и др. Джиттер искровых разрядников ЛТД // Изв. вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - №. 9-2. - С. 156.