Linjär transformatorsteg ( LTD-stage , från engelska Linear Transformer Driver ) är en induktionsgenerator av högspännings- och högströmspulser , vars funktionsprincip är baserad på Faradays lag om elektromagnetisk induktion , enligt vilken i ändarna av en ledande slinga som penetreras av ett tidsvariabelt flöde av magnetisk induktion Ф(t ), induceras en elektromotorisk kraft ε(t) , proportionell mot förändringshastigheten för flödet Ф(t) . Strukturellt sett är LTD-steget ett metallhölje (oftast är det ett toroidformigt skal med ett snitt på torusens innerdiameter), vilket kallas en induktor . Inuti induktorn på LTD-steget finns en primär energilagring av detta steg i form av ett batteri av högspänningskondensatorer kopplade parallellt, medan varje gren av batteriet har sin egen omkopplare - en gasurladdare . Med den samtidiga driften av dessa gnistgap bildas en utgångspuls, som appliceras på snittet på LTD-stegets innerdiameter [1] .
LTD-steget kan betraktas som en transformator med ett primärt varv (runt kärnan) och ett sekundärt varv (i form av en induktor), eller som en direkt urladdning av den ekvivalenta kapacitansen C = NC i för ett batteri av N kondensatorer med en kapacitans C i till lasten R , påslagen parallellt med kärnimpedansen .
Eftersom den primära kretsen är belägen inuti LTD-steget är det bekvämare att bygga den på kondensatorer med relativt små dimensioner. Att minska storleken på kondensatorn innebär att minska dess kapacitans , och detta ger urladdningskretsen för LTD-steget fördelen att, med en liten kapacitans, dess utgångspuls kan vara ganska kort (~ 100-200 ns vid halva maximum). Detta gör att du kan skapa LTD-generatorer med direkt verkan, som bildar en puls på 100 ns varaktighetsområde på lasten utan att använda några mellanliggande (kapacitiva eller induktiva) energilagringsenheter [2] .
De första LTD-stegen (mikrosekundintervall för utpulslängd) utvecklades vid Institute of High Current Electronics i Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (Tomsk ) 1995 av Boris Mikhailovich Kovalchuk , akademiker vid Ryska vetenskapsakademin . Konceptet med LTD-steg som föreslagits av Boris Kovalchuk, där primära lagringskondensatorer och gnistgap integrerades direkt i LTD-strukturen utan några kablar i urladdningskretsen, var det första viktiga steget mot utvecklingen av LTD-tekniken [1] .
År 2000 föreslog och demonstrerade doktor i tekniska vetenskaper , professor , ledande forskare vid Institute of High-Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Kim Alexander Andreevich och experimentellt möjligheten att skapa kraftfulla primära lagringsenheter baserade på linjära transformatorer med en energiutgångstid på ~ 100 ns [3] .
Beroende på varaktigheten av utgångsströmpulsen finns det LTD-steg av varaktighetsintervallet för mikrosekunder (kallade långsamma LTD-steg ) och 100-ns varaktighetsområde (kallade snabba LTD-steg ) [1] . Beroende på formen på utgångsströmpulsen finns det standard LTD-steg med en klockformad puls och LTD-steg med en kvasi-rektangulär (från latin quas (i) "liknar", "något liknande") utgångspuls (kallad Square Pulse LTD ) [4] . Beroende på typen av isolering är LTD-steg uppdelade i luftisolerade och oljeisolerade steg. Det finns också en klassificering enligt den maximala amplituden för utgångsströmpulsen.
Ett exempel på ett långsamt LTD-steg är LTD-1000-steget. Dess induktor har inte formen av en toroid, utan av en rektangulär parallellepiped med ett cylindriskt hål i mitten, där snittet av denna induktor är beläget. Den primära kretsen i detta steg består av två kondensatorer med en kapacitans på 3,95 uF vardera (med en intern induktans på 10 nH ), som var och en urladdas genom sitt eget gnistgap. Sektionen av induktorn är förseglad med en isolator för att separera dess inre volym, fylld med torr luft med ett tryck på upp till 3 atmosfärer, från volymen av den utgående vakuumkoaxialledningen .
Ett exempel på ett snabbt LTD-steg är LTD-100-steget. Steget innehåller 18 kondensatorer med en laddningsspänning på 100 kV , en kapacitans på 40 nF och en induktans på 25 nH , uppdelade i 9 identiska par. Kondensatorerna i varje par laddas med olika polaritet upp till en spänning på ± 100 kV och kopplas om av sin egen gasurladdare till belastningen. Ett block bestående av två parade kondensatorer, en gasavlastare och anslutande däck kallades LTD-sektionen [2] .
Idén med ett så snabbt LTD-steg baserades på det faktum att den ekvivalenta elektriska kretsen för LTD-steget är en RLC-krets och därför bestäms stigtiden för dess utpuls av tidskonstanten för denna krets, lika med ( LC) 1/2 . Det finns två sätt att minska pulsstigtiden: genom att minska induktansen för den ekvivalenta kretsen och/eller genom att minska dess kapacitans. Minskningen i induktans begränsas av stegets design och elementbas, därför kan en radikal minskning av stigtiden för utgångspulsen uppnås endast genom att reducera kapacitanserna hos stegets lagringskondensatorer. Men om kapacitansen för stegkondensatorerna reduceras, bör antalet parallella LC -kretsar ökas för att bevara mängden lagrad energi i steget [5] . Ett utmärkande drag för sådana steg är att de gör det möjligt att erhålla högeffektpulser med nanosekunders varaktighet utan användning av mellanliggande energilagringsanordningar, eftersom mellanenergilagringsanordningar endast behövs när en puls med den erforderliga energin och varaktigheten inte kan erhållas vid utgången av den primära lagringsenheten.
Den mest kraftfulla av de snabba LTD-stegen, utvecklad för 2020, kallas Stage 1 MA LTD . Den har en effekt på 100 GW och gör det möjligt att erhålla en ström på cirka 1 MA vid en matchad belastning på 0,1 Ω , stigande med cirka 100 ns . Den primära kretsen i detta steg innehåller 80 kondensatorer med en kapacitans på 40 nF , som är uppdelade i 40 par. Kondensatorerna i varje par laddas i motsatt polaritet till en spänning på ± 100 kV och är anslutna till stegets urladdningskrets genom ett gasgnistgap med flera gap. För att isolera elementen inuti scenen fylls hela dess inre hålrum med transformatorolja . Dess diameter är cirka 3 m , längden längs utgångslinjens axel är ~ 25 cm [6] .
De elektriska parametrarna för 1MA LTD- steget är sådana att det redan nu kan betraktas som huvudelementet i en pulsad LTD-generator för tröghetskontrollerad termonukleär fusion [7] , [8] . Dessutom, eftersom LTD-stegen inkluderar primära kretsar, är LTD-generatorn mer kompakt jämfört med andra typer av generatorer med jämförbara parametrar. Så till exempel upptar en LTD-generator med en utström på 1 MA och en effekt på 1 TW en yta på endast 8 m 2 . Som jämförelse är volymen som upptas av oljetanken i AURORA-anläggningen cirka 12 000 m 3 , vilket är exakt 100 gånger mer än en LTD-generator med nästan samma parametrar [9] . För närvarande studerar Sandia National Laboratories ( SNL, USA) möjligheten att skapa en 1000 TW- generator baserad på LTD-steg [7] .
Konventionella snabba LTD-steg, på grund av att deras ekvivalenta krets är en RLC-krets , låter dig få en klockformad utpuls. Omfattningen av en sådan puls är mycket bred: pulsad termonukleär energi , generering av högeffektsröntgenpulser , pumpning av laseraktiva media , etc. Men i vissa applikationer, såsom pulserad radiografi , drivande Z-nypor , hög- kraftmikrovågsgeneratorer , en puls med en platt, stigande eller fallande topp. En puls av denna form kan erhållas genom att använda snabba LTD-steg med en kvasi-kvadratutgångspuls, sådana steg kallas Square Pulse LTD .
Idén om att bilda en rektangulär puls i ett LTD-steg är baserad på Fouriersatsen , som säger att en signal av vilken form som helst kan upprepas genom att överlagra en serie sinusformade (och cosinus) övertoner - denna serie kallas Fourier- serien . Utströmspulsen i LTD-steget kan ha en kvasi-rektangulär form, förutsatt att sektionerna i steget kommer att vara av två olika typer: några av dem är standardsektioner som levererar ström med en frekvens ω 1 till lasten, vilket ger huvudenergin till lasten, och den andra delen är modifierade sektioner som matar ut en ström med en frekvens på 3ω 1 till lasten , vilket jämnar ut pulsen i dess övre del, ger den en rektangulär form och minskar stigningen och fallet tiderna för denna puls [4] .
Square Pulse LTD-steget har testats med olika antal standard(er) och modifierade (m) sektioner. Konfigurationer är villkorligt betecknade som 2s + 2m , 4s + 2m , 6s + 2m , 6s + 3m , etc. Möjligheten att justera svarsfördröjningen för en separat sektion gör det möjligt att styra formen på utgångspulsen för hela steget ( lutningen på dess platta topp).
Seriekopplingen av LTD-steg bildar en induktions LTD-generator, medan utgångselektroden som är ansluten till lasten är placerad på stegens axel. Denna elektrod är den inre elektroden på generatorns utgångsledning, den yttre elektroden på denna linje bildar de inre ytorna på själva LTD-stegen. En sådan LTD-generator kallas en LTD-modul .
2004 levererades snabba LTD-steg från ISE SB RAS till SNL ( USA ) som en del av en 1 MV och 125 kA modul [10] . Ytterligare 14 avslutade etapper bildades i URSA Minor- acceleratorn , som fungerade framgångsrikt för radiografiska tillämpningar. Den första Z-pinch- laddade oscillatorn byggd med LTD-teknologi var SPHINX-acceleratorn vid Gram Research Centre [11] (Centre d' Etude de Grammat), Frankrike [1] .
Det är möjligt att kombinera flera LTD-moduler till en installation.
Till exempel har konstruktionen av en LTD-generator för tröghetsstyrd fusion en primär lagringsenhet gjord i form av en sekventiell sammansättning av snabba LTD-steg, som urladdas till exponentiella transmissionsledningar [12] (det vill säga transmissionsledningar med en exponentiell impedansprofil). Hela volymen av utgångsledningarna för LTD-generatorer och exponentiella transmissionsledningar är fylld med avjoniserat vatten . Genom dessa ledningar matas impulsen från LTD-stegen till vatten-vakuum-bussningen, som skiljer sektionen med vattenisolering från sektionen med vakuumisolering. Bakom denna isolator finns transmissionsledningar med magnetisk självisolering [13] . Genom dem tillförs energi till lasten i form av en Z-nypa (i den övre delen av vakuumsektionen).
För 2020 är den mest kraftfulla maskinen som använder LTD-teknik den termonukleära kraftfulla pulsade kraftmodulen M-50, som först rapporterades i arbetet av L. Chen et al. "Utveckling av en fusionsorienterad pulsad kraftmodul" [14] . M -50- maskinen består av 50 identiska LTD-steg och en vakuumisolerad koaxialutgångsledning.
I den är LTD-etapperna indelade i fem grupper, som var och en består av tio på varandra följande etapper och har en längd på 2,7 m . Dessa grupper är åtskilda av koniska linjer långa 0,8 m. Linjens inre elektrod är en katod med en total längd av 20 m och en massa av 2400 kg ; dess diameter är konstant längs varje grupp om tio hålrum. Denna katodelektrod är utformad som en tyngdkraftskompenserad struktur; dess maximala uppmätta excentricitet är 1,48 mm. Alla 50 stegen har redan byggts och testats i 0,09 Ohm matchat belastningsläge . M-50-modulen är en av 60 moduler i ett termonukleärt pulskraftverk med en total lagrad energi på 96 MJ , varav 12,3 MJ kommer att omvandlas till den kinetiska energin hos Z-pinch under dess implosion .