Мощная импульсная техника. Накопление энергии в устройствах МИТ

1. Введение.

Мощная импульсная техника (МИТ) включает в себя аппаратуру для накопления, генерирования сжатия и передачи в нагрузку импульсной электрической энергии больших мощностей. В настоящем лекционном курсе рассматриваются физико-технические основы построения и действия этой техники. Первоначально, с начала 20 века, МИТ создавалась для физического эксперимента в областях физики элементарных частиц, ренгенотехники, радиотехники, лазерной физики. С начала 60-х годов её применения стали распространятся на технологические области: электрогидравлическая и магнитоимпульсная обработка материалов, электроимпульсное бурение скважин и утилизация композитов разрушением, получение ультрадисперсионных порошков и покрытий электрическим взрывом проволочек, дробление руд, ионно- и электроннолучевая обработка поверхности материалов.

По мере развития техники изменялось содержание предмета МИТ. В частности увеличивались выходные параметры установок и сейчас к установкам МИТ относятся электрофизические установки, обеспечивающие на нагрузке импульсы:

- с амплитудой напряжения от десятков кВ до десятков МВ

10⁴ – 10⁷ В

- при токах от единиц кА до десятков МА

10³ – 10⁷ А

- с мощностью 10⁷ – 10¹⁴ Вт

- со скоростью нарастания мощности 10¹⁴ – 10²² Вт/с

- энергии в одном импульсе 10³ – 10⁸ Дж

Во введении остановимся на трех основных переходных рубежах в истории развития МИТ, которые существенно повлияли на становление этой техники. До 60-х годов МИТ развивалась, в основном, для целей ренгенофизики быстропротекающих процессов в плотных средах и для питания модельных установок, предназначенных для нагрева плотной высокотемпературной плазмы в исследованиях управляемого термоядерного синтеза УТС (Z-пинг, токомак, стелларатор).

1. С момента заключения ядерными державами в 1968 г. Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах интерес к МИТ резко повысился в связи с возможностью создания установок, моделирующих различные компоненты излучения ЯВ (электромагнитный импульс, жесткий рентген и др.). Интенсивные исследования и разработки в этом направлении позволили в начале 70-х годов создать ускорители электронов и генераторы рентгеновского тормозного излучения на их основе с выходной мощностью до 10¹³ Вт и скоростью её нарастания до 10²¹ Вт/с. Энергия импульса при этом была на уровне 10⁶ Дж.

        2. Эти исследования дали толчок развитию импульсных электронных пушек, было установлено что в электронном пучке можно обеспечить плотности тока до 10⁸ А. Исходя из этого Винтенберг в США и Завойский в СССР в 1968 г. Выдвинули идею использования пучков заряженных частиц для осуществлении инерционного УТС путем всестороннего быстрого разогрева Д-Т (дейтерий-тритиевой) мишени (время разогрева τ << t_{разлета}).

Расчеты показали, что для решения этой задачи требуются пучки заряженных частиц параметрами:

энергозапас – более 10 МДж;

мощность – более 10¹⁴ Вт;

длительность – до 50 нс;

нарастание мощности – более 10²² Вт/с.

С этого момента импульсная техника получила новый стимул к развитию. В настоящее время уже созданы установки для исследования в этом направлении. Например, установка PBFA-II (США):

P = 10¹⁴ Вт,      W_зап ~ 14 МДж,        W_п ~ 3,6 МДж

V ~ 30 МВ,      I ~ 3 МА,                  t_и ~ 30 нс.

3. Третьим толчком послужили развернутые в 70 – 80-х годах работы по изучению возможности создания оружия пучкового действия в рамках СОИ (пучки заряженных частиц, лазерное излучение, ускорение