Название проекта – Разработка твердотельного частотного генератора с пиковой мощностью более 10 ГВт (Итоговый)

Экспериментально и методами численного моделирования исследовано совместное влияние температуры и скорости нарастания напряжения на структуре кремниевого тиристора на процесс его переключения в проводящее состояние волной ударной ионизации. Показано, что основным фактором, определяющим характер и параметры процесса переключения тиристора, выступает величина dU/dt. При dU/dt > 8 кВ/нс запуск волны ударной ионизации при переключении тиристора реализуется при температуре структуры вплоть до 200°С. При dU/dt ≤ 1 кВ/нс эффект переключения исчезает при T ~120°С. Проведены исследования силового тиристорного коммутатора, переключаемого в проводящее состояние волной ударной ионизации. 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. Начальная проводимость тиристора диам. 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 предположением, 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 тока 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. Экспериментально показана возможность создания на основе SOS + MCL-подхода твердотельных субнаносекундных генераторов с пиковой мощностью в десятки ГВт. В подходе входной импульс наносекундной длительности от твердотельного генератора с полупроводниковым прерывателем тока усиливается по мощности и укорачивается по длительности последовательными каскадами гиромагнитных нелинейных линий. Суть подхода заключается в том, что линия каждого каскада работает не как генератор мощных СВЧ-колебаний напряжения, а как магнитный компрессор энергии импульса (Magnetic Compression Line, MCL), что реализуется при близких значениях длительности входного импульса и периода генерируемых в линии колебаний. При пиковой мощности входного импульса 6 ГВт (490 кВ, 40 Ом) длительностью ~7 нс, формируемого SOS-генератором, на выходе трехкаскадного компрессора получена пиковая мощность 54 ГВт (амплитуда импульса напряжения 1,62 МВ в линии с импедансом 48 Ом) при длительности импульса на полувысоте 170 пс. Скорость нарастания напряжения на фронте импульса - 14,7 МВ/нс, а скорость нарастания мощности – 0,7 ТВт/нс.