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

Operating modes of the ferromagnetic core of the load current transformer in a cascade circuit on the GIT-12 generator

V.A. Kokshenev1, V.A. Sinebrykhov1, A.A. Zherlitsyn1

1 Institute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.23 UDC 621.319.533.9 EDN RZGOIC

Abstract

The paper presents the results of test experiments and numerical analysis of the cascade circuit operation on the GIT-12 megaampere generator. This is a new technology of powerful pulse equipment, in which a cascade of a plasma оpening switch (POS) and a load current multiplier (LCM) is installed at the output of a microsecond generator. A special feature of the LCM design is the use of a ferromagnetic core with vacuum insulation. This allows implementing a current magnification factor of 2 at a current amplitude in the Z-pinch load of up to 5 MA. The effect of the load on the leakage value in the cavity of the ferromagnetic core with vacuum insulation is studied. The results of test experiments of the cascade circuit operation on a liner load at a peak implosion current of up to 4 MA are presented. The parameters of the POS and Z-pinch loads corresponding to the operation of the cores in the current doubling mode are determined.

  • Marx generator
  • load current multiplier
  • ferromagnetic core
  • plasma оpening switch
  • z-pinch
Аннотация (на русском)

Режимы работы ферромагнитного сердечника трансформатора тока нагрузки в каскадной схеме на генераторе ГИТ-12

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.

For citation

Kokshenev V.A., Sinebrykhov V.A., Zherlitsyn A.A. Operating modes of the ferromagnetic core of the load current transformer in a cascade circuit on the GIT-12 generator // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.23

References

  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