Lineaarinen muuntajaaste ( LTD-vaihe , englannin kielestä Linear Transformer Driver ) on suurjännite- ja suurvirtapulssien induktiogeneraattori , jonka toimintaperiaate perustuu Faradayn sähkömagneettisen induktion lakiin , jonka mukaan päissä Johtavassa silmukassa, jonka läpäisee aikamuuttuva magneettisen induktion vuo Ф (t ), indusoituu sähkömotorinen voima ε(t) , joka on verrannollinen vuon Ф(t) muutosnopeuteen . Rakenteellisesti LTD-aste on metallikotelo (useimmiten se on toroidinen kuori , jossa on leikkaus toruksen sisähalkaisijaan), jota kutsutaan induktoriksi . LTD-vaiheen kelan sisällä on tämän vaiheen primäärienergiavarasto rinnakkain kytkettyjen suurjännitekondensaattorien akun muodossa , kun taas akun jokaisella haaralla on oma kytkin - kaasupurkaus . Näiden kipinävälien samanaikaisella toiminnalla muodostuu ulostulopulssi, joka kohdistetaan LTD-portaan sisähalkaisijan leikkaukseen [1] .
LTD-astetta voidaan pitää muuntajana , jossa on yksi ensiökierros (ytimen ympäri) ja yksi toisiokierros (induktorin muodossa), tai N kondensaattorin akun vastaavan kapasitanssin C = NC i suorapurkaus. kapasitanssilla C i kuormaan R , kytketty päälle rinnakkain sydämen impedanssin kanssa.
Koska ensiöpiiri sijaitsee LTD-vaiheen sisällä, on helpompi rakentaa se suhteellisen pienikokoisille kondensaattoreille. Kondensaattorin koon pienentäminen tarkoittaa sen kapasitanssin pienentämistä , ja tämä antaa LTD-asteen purkauspiirille sen edun, että pienellä kapasitanssilla sen lähtöpulssi voi olla melko lyhyt (~ 100-200 ns puolet maksimissaan). Tämän avulla voit luoda suoran toiminnan LTD-generaattoreita, jotka muodostavat 100 ns :n pulssin kestoalueen kuormalla käyttämättä mitään välillisiä (kapasitiivisia tai induktiivisia) energian varastointilaitteita [2] .
Ensimmäiset LTD-asteet (lähdön pulssin keston mikrosekunnin vaihteluväli) kehitti Venäjän tiedeakatemian Siperian sivuliikkeen suurvirtaelektroniikan instituutissa (Tomsk ) vuonna 1995. Venäjän tiedeakatemian akateemikko Boris Mikhailovich Kovaltshuk kehitti vuonna 1995. Boris Kovaltšukin ehdottama LTD-vaiheiden konsepti, jossa primäärivarastokondensaattorit ja kipinävälit integroitiin suoraan LTD-rakenteeseen ilman kaapeleita purkauspiirissä, oli ensimmäinen tärkeä askel kohti LTD-teknologian kehittämistä [1] .
Vuonna 2000 teknisten tieteiden tohtori , professori , Venäjän tiedeakatemian Siperian sivuliikkeen suurvirtaelektroniikan instituutin johtava tutkija Kim Alexander Andreevich ehdotti ja osoitti kokeellisesti mahdollisuuden luoda tehokkaita primäärimuistilaitteita, jotka perustuvat lineaarisiin muuntajiin. energian ulostuloaika ~ 100 ns [3] .
Lähtövirtapulssin keston mukaan on olemassa LTD-asteita mikrosekunnin kestoalueelta (kutsutaan hitaiksi LTD -asteiksi ) ja 100 ns:n kestoalueiksi (kutsutaan nopeiksi LTD -asteiksi ) [1] . Lähtövirtapulssin muodon mukaan on olemassa standardinmukaisia LTD-asteita kellopulssilla ja LTD-asteita, joissa on lähes suorakulmainen ( latinan sanasta quas (i) "kuten", "jotain vastaavaa" lähtöpulssi (ns. Square Pulse LTD ) [4] . Eristystyypin mukaan LTD-vaiheet jaetaan ilmaeristettyihin ja öljyeristettyihin vaiheisiin. Luokitus on myös lähtövirtapulssin maksimiamplitudin mukaan.
Esimerkki hitaasta LTD-vaiheesta on LTD-1000-vaihe. Sen induktori ei ole toroidin muotoinen, vaan suorakaiteen muotoinen suuntaissärmiö, jonka keskellä on sylinterimäinen reikä, jossa tämän kelan leikkaus sijaitsee. Tämän vaiheen ensiöpiiri koostuu kahdesta kondensaattorista, joiden kunkin kapasitanssi on 3,95 uF (sisäisellä induktanssilla 10 nH ), jotka kumpikin puretaan oman kipinävälinsä kautta. Induktorin osa on tiivistetty eristimellä sen sisäisen tilavuuden erottamiseksi, joka on täytetty kuivalla ilmalla, jonka paine on enintään 3 ilmakehää, lähtötyhjiökoaksiaalilinjan tilavuudesta .
Esimerkki nopeasta LTD-vaiheesta on LTD-100-lava. Porras sisältää 18 kondensaattoria, joiden latausjännite on 100 kV , kapasitanssi 40 nF ja induktanssi 25 nH , jaettuna 9 identtiseen pariin. Jokaisen parin kondensaattorit on ladattu eri napaisuuksilla ± 100 kV jännitteeseen asti ja ne kytketään omalla kaasupurkaimellaan kuormaan. Lohkoa, joka koostuu kahdesta kondensaattoriparista, kaasupurkaimesta ja yhdistävistä renkaista, kutsuttiin LTD -osioiksi [2] .
Ajatus tällaisesta nopeasta LTD-asteesta perustui siihen, että LTD-asteen vastaava sähköpiiri on RLC-piiri ja siksi sen lähtöpulssin nousuaika määräytyy tämän piirin aikavakiolla, joka on yhtä suuri kuin ( LC) 1/2 . Pulssin nousuaikaa voidaan lyhentää kahdella tavalla: pienentämällä vastaavan piirin induktanssia ja/tai pienentämällä sen kapasitanssia. Induktanssin pienenemistä rajoittaa vaiheen rakenne ja elementtipohja, joten lähtöpulssin nousuajan radikaali lyhentäminen voidaan saavuttaa vain pienentämällä asteen varastokondensaattorien kapasitanssia. Kuitenkin, jos porraskondensaattorien kapasitanssia pienennetään, niin portaan varastoidun energian määrän säilyttämiseksi sen rinnakkaisten LC - piirien määrää tulee lisätä [5] . Tällaisten vaiheiden erottuva piirre on, että ne mahdollistavat nanosekunnin kestoisten suuritehoisten pulssien saamisen ilman välivarastolaitteita, koska energian välivarastolaitteita tarvitaan vain silloin, kun tarvittavan energian ja keston omaavaa pulssia ei saada. ensisijaisen tallennuslaitteen lähdössä.
Vuodelle 2020 kehitetyistä nopeista LTD-vaiheista tehokkain on nimeltään Stage 1 MA LTD . Sen teho on 100 GW ja se mahdollistaa noin 1 MA :n virran saavuttamisen sovitetulla 0,1 Ω :n kuormalla , joka nousee noin 100 ns :ssa . Tämän vaiheen ensiöpiiri sisältää 80 kondensaattoria, joiden kapasitanssi on 40 nF ja jotka on jaettu 40 pariin. Jokaisen parin kondensaattorit on ladattu vastakkaisella polariteetilla ± 100 kV jännitteeseen ja ne on kytketty vaiheen purkauspiiriin moniväliisellä kaasukipinävälillä. Lavan sisällä olevien elementtien eristämiseksi sen koko sisäontelo on täytetty muuntajaöljyllä . Sen halkaisija on noin 3 m , pituus ulostulolinjan akselilla on ~ 25 cm [6] .
1MA LTD -vaiheen sähköiset parametrit ovat sellaiset, että sitä voidaan nytkin pitää inertiaalisesti ohjatun lämpöydinfuusion pulssiohjatun LTD-generaattorin pääelementtinä [7] , [8] . Lisäksi, koska LTD-asteet sisältävät ensiöpiirejä, LTD-generaattori on kompaktimpi verrattuna muuntyyppisiin generaattoreihin, joilla on vertailukelpoiset parametrit. Joten esimerkiksi LTD-generaattori, jonka lähtövirta on 1 MA ja teho 1 TW, vie pinta-alan vain 8 m 2 . Vertailun vuoksi AURORA-laitoksen öljysäiliön tilavuus on noin 12 000 m 3 , mikä on täsmälleen 100 kertaa enemmän kuin lähes samoilla parametreilla toimivan LTD-generaattorin [9] . Tällä hetkellä Sandia National Laboratories ( SNL, USA) tutkii mahdollisuutta luoda 1000 TW :n generaattori LTD-vaiheisiin [7] .
Perinteiset nopeat LTD-asteet, koska niiden vastaava piiri on RLC-piiri , mahdollistavat kellomuotoisen lähtöpulssin saamisen. Tällaisen pulssin kattavuus on hyvin laaja: pulssimainen lämpöydinenergia , suuritehoisten röntgenpulssien tuottaminen, laseraktiivisten välineiden pumppaus jne. Kuitenkin joissakin sovelluksissa, kuten pulssiradiografiassa , Z-puristusten , voimakkaiden tehomikroaaltogeneraattorit , pulssi, jonka yläosa on tasainen, nouseva tai laskeva. Tämän muotoinen pulssi voidaan saada käyttämällä nopeita LTD-asteita kvasi-neliön lähtöpulssilla, sellaisia asteita kutsutaan nimellä Square Pulse LTD .
Ajatus suorakulmaisen pulssin muodostamisesta LTD-vaiheessa perustuu Fourier-lauseeseen , jonka mukaan minkä tahansa muotoinen signaali voidaan toistaa asettamalla päällekkäin sarja sinimuotoisia (ja kosini) harmonisia - tätä sarjaa kutsutaan ns. Fourier - sarja . LTD-portaan lähtövirtapulssi voi olla lähes suorakaiteen muotoinen edellyttäen, että portaan osat ovat kahta eri tyyppiä: osa niistä on vakiolohkoja , jotka syöttävät virtaa taajuudella ω 1 kuormaan, joka tuottaa pääenergian kuormalle, ja toinen osa on modifioituja osia , jotka tuottavat kuormaan virran taajuudella 3ω 1 , mikä tasoittaa lähtöpulssin yläosassa, antaa sille suorakulmaisen muodon ja vähentää nousua ja laskua. tämän pulssin kertaa [4] .
Square Pulse LTD -lavaa on testattu useilla vakio- (s) ja modifioiduilla (m) -osilla. Konfiguraatiot on määritelty ehdollisesti 2s + 2m , 4s + 2m , 6s + 2m, 6s + 3m jne. Mahdollisuus säätää erillisen osan vasteviivettä mahdollistaa koko portaan lähtöpulssin muodon ohjauksen ( sen tasaisen yläosan kaltevuus).
LTD-portaiden sarjakytkentä muodostaa induktio- LTD-generaattorin, kun taas kuormaan kytketty lähtöelektrodi sijaitsee porrasakselilla. Tämä elektrodi on generaattorin lähtölinjan sisäelektrodi, tämän johdon ulkoelektrodi muodostaa itse LTD-portaiden sisäpinnat. Tällaista LTD - generaattoria kutsutaan LTD - moduuliksi .
Vuonna 2004 nopeat LTD-portaat toimitettiin ISE SB RAS :lta SNL :lle ( USA ) osana 1 MV ja 125 kA moduulia [10] . Toiset 14 valmistunutta vaihetta muodostettiin URSA Minor -kiihdytiksiksi , joka toimi onnistuneesti radiografisissa sovelluksissa. Ensimmäinen LTD-teknologialla valmistettu Z-pinch- kuormitettu oskillaattori oli SPHINX-kiihdytin Gramin tutkimuskeskuksessa [11] (Centre d' Etude de Grammat), Ranskassa [1] .
On mahdollista yhdistää useita LTD-moduuleja yhdeksi asennukseksi.
Esimerkiksi LTD-generaattorin suunnittelussa inertiaalisesti ohjattua fuusiota varten on ensisijainen tallennuslaite, joka on tehty nopeiden LTD-vaiheiden peräkkäisen kokoonpanon muodossa ja joka puretaan eksponentiaalisiin siirtolinjoihin [12] (eli siirtolinjoihin, joilla on eksponentiaalinen impedanssiprofiili). LTD - generaattoreiden ja eksponentiaalisten voimajohtojen lähtölinjojen koko tilavuus on täytetty deionisoidulla vedellä . Näiden linjojen kautta LTD-portaiden impulssi syötetään vesi-tyhjiöholkkiin, joka erottaa vesieristeisen osan tyhjiöeristetystä osasta. Tämän eristimen takana on voimajohdot, joissa on magneettinen itseeristys [13] . Niiden kautta kuormaan syötetään energiaa Z-puristuksen muodossa (tyhjiöosan yläosassa).
Vuodelle 2020 tehokkain LTD-teknologiaa käyttävä kone on lämpöydinvoimakas pulssitehomoduuli M-50, joka raportoi ensimmäisen kerran L. Chenin ym. teoksessa "Fuusiosuuntautuneen pulssitehomoduulin kehittäminen" [14] . M -50 kone koostuu 50 identtisestä LTD-porrasta ja tyhjiöeristetystä koaksiaalilähtölinjasta.
Siinä LTD-vaiheet on jaettu viiteen ryhmään, joista kukin koostuu kymmenestä peräkkäisestä vaiheesta ja on pituudeltaan 2,7 m . Nämä ryhmät on erotettu toisistaan kartiomaisilla viivoilla , joiden pituus on 0,8 m. Johdon sisäelektrodi on katodi, jonka kokonaispituus on 20 m ja massa 2400 kg ; sen halkaisija on vakio jokaisessa kymmenen ontelon ryhmässä. Tämä katodielektrodi on suunniteltu painovoimakompensoiduksi rakenteeksi; sen suurin mitattu epäkeskisyys on 1,48 mm. Kaikki 50 vaihetta on jo rakennettu ja testattu 0,09 ohmin sovitetussa kuormitustilassa . M-50-moduuli on yksi lämpöydinpulssivoimalaitoksen 60 moduulista, joiden kokonaisvarastoitu energia on 96 MJ , josta 12,3 MJ muuttuu Z-puristuksen kineettiseksi energiaksi törmäyksen aikana .