Разработка твердотельного частотного генератора с пиковой мощностью более 10 ГВт (Промежуточный за 2018 г.)

Проведены исследования тиристорного коммутатора, переключаемого в проводящее состояние волной ударной ионизации и предназначенного для работы в качестве первичного ключа в наносекундных генераторах с полупроводниковым прерывателем тока (SOS). Установлено, что увеличение скорости нарастания напряжения dU/dt на стадии запуска тиристора в режиме ударно-ионизационной волны ведет к увеличению проводимости тиристора и снижению потерь энергии в нем на стадии протекания тока. В частности, начальная проводимость тиристора диаметром 40 мм после его перехода в проводящее состояние увеличивается в ~20 раз при увеличении dU/dt с 0,9 до 5 кВ/нс. Зависимость объясняется тем, что активная площадь структуры формируется на стадии запуска, а ее величина возрастает с ростом dU/dt. Реализован тиристорный ударно-ионизационный коммутатор, имеющий рабочее напряжение 12 кВ и коммутируемый ток 7,5 кА при длительности импульса 500 нс, скорости нарастания тока 54 кА/мкс и частоте следования импульсов 1 кГц в режиме пачки импульсов; эффективность переключения ~0,9. Использование коммутатора в качестве первичного ключа в мощном SOS-генераторе (250 МВт, 300 кВ) позволило упростить схему предварительного сжатия энергии на магнитных элементах и поднять эффективность генератора с 0,4 до 0,65. Исследована субнаносекундная твердотельная мощная импульсная система, в которой входной импульс от SOS-генератора усиливается по мощности и укорачивается по длительности двухступенчатым магнитным компрессором на гиромагнитных нелинейных линиях. В настоящем подходе линия каждой ступени работает как магнитный компрессор энергии импульса, что реализуется при близких значениях длительности входного импульса и периода генерируемых в линии колебаний. Получены инженерные соотношения для выбора оптимальных поперечных размеров гиромагнитных нелинейных линий, работающих в режиме компрессии энергии импульса. В экспериментах система компрессии содержала две последовательные линии с волновым сопротивлением 40 Ом. Входной импульс имел длительность 7 нс и амплитуду 500 кВ. После двух ступеней компрессии амплитуда импульса была увеличена до 1,1 МВ, пиковая мощность возросла с 6 до 30 ГВт, а длительность импульса перешла в субнаносекундный диапазон и составила 0,65 нс. Эксперименты проводились с частотой следования импульсов до 1 кГц в режиме пачки импульсов.