Etapa transformatorului liniar ( LTD-stage , din limba engleză Linear Transformer Driver ) este un generator de inducție de impulsuri de înaltă tensiune și curent ridicat , al cărui principiu de funcționare se bazează pe legea lui Faraday a inducției electromagnetice , conform căreia la capete a unei bucle conductoare pătrunsă de un flux variabil în timp de inducție magnetică Ф (t ), se induce o forță electromotoare ε(t) , proporțională cu viteza de modificare a fluxului Ф(t) . Din punct de vedere structural, etapa LTD este o carcasă metalică (cel mai adesea este o carcasă toroidalăcu o tăietură pe diametrul interior al torusului), care se numește inductor . În interiorul inductorului etapei LTD, există o stocare de energie primară a acestei etape sub forma unei baterii de condensatoare de înaltă tensiune conectate în paralel, în timp ce fiecare ramură a bateriei are propriul său comutator - un descărcator de gaz . Odată cu funcționarea simultană a acestor eclatoare, se formează un impuls de ieșire, care se aplică tăieturii pe diametrul interior al treptei LTD [1] .
Etapa LTD poate fi considerată ca un transformator cu o tură primară (în jurul miezului) și o tură secundară (sub formă de inductor), sau ca o descărcare directă a capacității echivalente C = NC i a unei baterii de N condensatoare cu o capacitate C i la sarcina R , pornit paralel cu impedanța miezului .
Deoarece circuitul primar este situat în interiorul etapei LTD, este mai convenabil să îl construiți pe condensatori cu dimensiuni relativ mici. Reducerea dimensiunii condensatorului înseamnă reducerea capacității acestuia , iar acest lucru oferă circuitului de descărcare al etapei LTD avantajul că, cu o capacitate mică, impulsul său de ieșire poate fi destul de scurt (~ 100-200 ns la jumătate de maxim). Acest lucru vă permite să creați generatoare LTD de acțiune directă, care formează un impuls cu o durată de 100 ns pe sarcină fără a utiliza dispozitive intermediare (capacitive sau inductive) de stocare a energiei [2] .
Primele etape LTD (gama de microsecunde a duratei impulsului de ieșire) au fost dezvoltate la Institutul de Electronică de Înaltă Curent al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe (Tomsk ) în 1995 de către Boris Mikhailovich Kovalchuk , academician al Academiei Ruse de Științe . Conceptul de trepte LTD propus de Boris Kovalchuk, în care condensatoarele de stocare primară și eclatoarele de scânteie au fost integrate direct în structura LTD fără niciun cablu în circuitul de descărcare, a fost primul pas important către dezvoltarea tehnologiei LTD [1] .
În 2000, doctor în științe tehnice , profesor , cercetător principal al Institutului de Electronică de înalt curent al filialei siberiei a Academiei Ruse de Științe Kim Alexander Andreevich a propus și demonstrat experimental posibilitatea de a crea dispozitive de stocare primare puternice bazate pe transformatoare liniare cu un timp de ieșire a energiei de ~ 100 ns [3] .
În funcție de durata impulsului curentului de ieșire, există etape LTD din intervalul de durată de microsecunde (numite etape LTD lente ) și interval de durată de 100 ns (numite etape LTD rapide ) [1] . În funcție de forma impulsului curentului de ieșire, există etaje standard LTD cu un impuls în formă de clopot și etaje LTD cu un impuls de ieșire cvasi-dreptunghiular (din latină quas (i) „cum ar fi”, „ceva asemănător”) (numit Square Pulse LTD ) [4] . În funcție de tipul de izolație, etapele LTD sunt împărțite în etape izolate cu aer și cu ulei. Există, de asemenea, o clasificare în funcție de amplitudinea maximă a impulsului de curent de ieșire.
Un exemplu de etapă lentă LTD este etapa LTD-1000. Inductorul său are forma nu a unui toroid, ci a unui paralelipiped dreptunghiular cu o gaură cilindrice în mijloc, unde se află tăietura acestui inductor. Circuitul primar al acestei etape este format din doi condensatori cu o capacitate de 3,95 uF fiecare (cu o inductanță internă de 10 nH ), care sunt descărcați fiecare prin propriul eclator de scânteie. Secțiunea inductorului este etanșată cu un izolator pentru a separa volumul său intern, umplut cu aer uscat cu o presiune de până la 3 atmosfere, de volumul liniei coaxiale de vid de ieșire .
Un exemplu de etapă LTD rapidă este etapa LTD-100. Etapa conține 18 condensatoare cu o tensiune de încărcare de 100 kV , o capacitate de 40 nF și o inductanță de 25 nH , împărțite în 9 perechi identice. Condensatorii fiecărei perechi sunt încărcați în polaritate diferită până la o tensiune de ± 100 kV și sunt comutați de către propriul lor descărcator de gaz la sarcină. Un bloc format din doi condensatori perechi, un descărcator de gaz și anvelope de conectare a fost numit secțiunea LTD [2] .
Ideea unei astfel de etape LTD rapidă s-a bazat pe faptul că circuitul electric echivalent al etapei LTD este un circuit RLC și, prin urmare, timpul de creștere a impulsului său de ieșire este determinat de constanta de timp a acestui circuit, egală cu ( LC) 1/2 . Există două moduri de a reduce timpul de creștere a impulsului: prin reducerea inductanței circuitului echivalent și/sau prin reducerea capacității acestuia. Scăderea inductanței este limitată de proiectarea și baza elementului etapei, prin urmare, o scădere radicală a timpului de creștere a impulsului de ieșire poate fi realizată numai prin reducerea capacităților condensatoarelor de stocare ale etapei. Cu toate acestea, dacă capacitatea condensatoarelor de etapă este redusă, atunci pentru a păstra cantitatea de energie stocată în etapă, numărul circuitelor sale paralele LC ar trebui crescut [5] . O trăsătură distinctivă a unor astfel de etape este că fac posibilă obținerea de impulsuri de mare putere cu durata de nanosecundă fără utilizarea dispozitivelor intermediare de stocare a energiei, deoarece dispozitivele intermediare de stocare a energiei sunt necesare numai atunci când nu poate fi obținut un impuls cu energia și durata necesare. la ieșirea dispozitivului de stocare primar.
Cea mai puternică dintre etapele rapide LTD, dezvoltată pentru 2020, se numește Etapa 1 MA LTD . Are o putere de 100 GW și face posibilă obținerea unui curent de aproximativ 1 MA la o sarcină adaptată de 0,1 Ω , crescând în aproximativ 100 ns . Circuitul primar al acestei etape conține 80 de condensatoare cu o capacitate de 40 nF , care sunt împărțite în 40 de perechi. Condensatorii fiecărei perechi sunt încărcați în polaritate opusă la o tensiune de ± 100 kV și sunt conectați la circuitul de descărcare al etapei printr-un eclator de gaz multi-gap. Pentru a izola elementele din interiorul scenei, întreaga sa cavitate internă este umplută cu ulei de transformator . Diametrul său este de aproximativ 3 m , lungimea de-a lungul axei liniei de ieșire este de ~ 25 cm [6] .
Parametrii electrici ai etapei 1MA LTD sunt de așa natură încât și acum poate fi considerat elementul principal al unui generator de LTD pulsat pentru fuziunea termonucleară controlată inerțial [7] , [8] . Mai mult, deoarece etapele LTD includ circuite primare, generatorul LTD este mai compact în comparație cu alte tipuri de generatoare cu parametri comparabili. Deci, de exemplu, un generator LTD cu un curent de ieșire de 1 MA și o putere de 1 TW ocupă o suprafață de numai 8 m 2 . Spre comparație, volumul ocupat de rezervorul de ulei al uzinei AURORA este de aproximativ 12.000 m 3 , adică exact de 100 de ori mai mult decât un generator LTD cu aproape aceiași parametri [9] . În prezent, Sandia National Laboratories ( SNL, SUA) studiază posibilitatea creării unui generator de 1000 TW bazat pe etape LTD [7] .
Etapele LTD rapide convenționale, datorită faptului că circuitul lor echivalent este un circuit RLC , vă permit să obțineți un impuls de ieșire în formă de clopot. Domeniul de aplicare al unui astfel de impuls este foarte larg: energie termonucleară pulsată , generare de impulsuri cu raze X de mare putere , pompare de medii active cu laser etc. generatoare de putere cu microunde , un impuls cu un vârf plat, în creștere sau în coborâre. Un impuls de această formă poate fi obținut folosind trepte LTD rapide cu un impuls de ieșire cvasi-pătrat, astfel de etape fiind numite Square Pulse LTD .
Ideea formării unui impuls dreptunghiular într-o etapă LTD se bazează pe teorema Fourier , care afirmă că un semnal de orice formă poate fi repetat prin suprapunerea unei serii de armonici sinusoidale (și cosinus) - această serie se numește seria Fourier . Impulsul de curent de ieșire în treapta LTD poate avea o formă cvasi dreptunghiulară, cu condiția ca secțiunile din treaptă să fie de două tipuri diferite: unele dintre ele sunt secțiuni standard care furnizează curent cu o frecvență ω 1 la sarcină, care furnizează energia principală sarcinii, iar cealaltă parte este secțiuni modificate care scot un curent cu o frecvență de 3ω 1 la sarcină , care netezește impulsul de ieșire în partea sa superioară, îi conferă o formă dreptunghiulară și reduce creșterea și scăderea. timpii acestui puls [4] .
Etapa Square Pulse LTD a fost testată cu un număr diferit de secțiuni standard (e) și modificate (m). Configurațiile sunt desemnate condiționat ca 2s + 2m , 4s + 2m , 6s + 2m, 6s + 3m etc. Capacitatea de a ajusta întârzierea de răspuns a unei secțiuni separate face posibilă controlul formei impulsului de ieșire a întregii etape ( panta vârfului său plat).
Conexiunea în serie a etajelor LTD formează un generator de inducție LTD, în timp ce electrodul de ieșire conectat la sarcină este situat pe axa etajelor. Acest electrod este electrodul interior al liniei de ieșire a generatorului, electrodul exterior al acestei linii formează suprafețele interioare ale etapelor LTD. Un astfel de generator LTD se numește modul LTD .
În 2004, etapele LTD rapide au fost livrate de la ISE SB RAS către SNL ( SUA ) ca parte a unui modul de 1 MV și 125 kA [10] . Alte 14 etape finalizate au fost formate în acceleratorul URSA Minor , care a funcționat cu succes pentru aplicații radiografice . Primul oscilator cu încărcare Z-pinch construit folosind tehnologia LTD a fost acceleratorul SPHINX de la Centrul de Cercetare Gram [11] (Centre d' Etude de Grammat), Franța [1] .
Este posibil să combinați mai multe module LTD într-o singură instalație.
De exemplu, proiectarea unui generator LTD pentru fuziune controlată inerțial are un dispozitiv de stocare primar realizat sub forma unui ansamblu secvențial de etape LTD rapide, care este descărcat în linii de transmisie exponențială [12] (adică linii de transmisie cu un profil de impedanță). Întregul volum al liniilor de ieșire ale generatoarelor LTD și al liniilor de transmisie exponențială este umplut cu apă deionizată . Prin aceste linii, impulsul din treptele LTD este alimentat la bucșa de apă-vid, care separă secțiunea cu izolație cu apă de secțiunea cu izolație în vid. În spatele acestui izolator se află linii de transmisie cu autoizolare magnetică [13] . Prin intermediul acestora, energia este furnizată încărcăturii sub forma unui ciupit în Z (în partea superioară a secțiunii de vid).
Pentru 2020, cea mai puternică mașină care utilizează tehnologia LTD este modulul de putere pulsat puternic termonuclear M-50, care a fost raportat pentru prima dată în lucrarea lui L. Chen și colaboratorii „Dezvoltarea unui modul de putere pulsat orientat spre fuziune” [14] . Mașina M-50 constă din 50 de trepte LTD identice și o linie de ieșire coaxială izolată în vid.
În ea, etapele LTD sunt împărțite în cinci grupe, fiecare dintre acestea constând din zece etape consecutive și având o lungime de 2,7 m . Aceste grupuri sunt separate prin linii conice lungi de 0,8 m. Electrodul interior al liniei este un catod cu o lungime totală de 20 m și o masă de 2400 kg ; diametrul său este constant de-a lungul fiecărui grup de zece cavități. Acest electrod catod este proiectat ca o structură compensată prin gravitație; excentricitatea sa maximă măsurată este de 1,48 mm. Toate cele 50 de trepte au fost deja construite și testate în modul de sarcină adaptată de 0,09 Ohm . Modulul M-50 este unul dintre cele 60 de module ale unei centrale termonucleare cu impulsuri cu o energie totală stocată de 96 MJ , din care 12,3 MJ vor fi convertiți în energia cinetică a Z-pinch- ului în timpul imploziei sale .