Lineární transformátorový stupeň ( LTD-stage , z anglického Linear Transformer Driver ) je indukční generátor vysokonapěťových a silnoproudých impulzů, jehož princip činnosti je založen na Faradayově zákonu elektromagnetické indukce , podle kterého na koncích vodivé smyčky procházející časově proměnným tokem magnetické indukce Ф (t ) se indukuje elektromotorická síla ε(t) úměrná rychlosti změny toku Ф(t) . Konstrukčně je stupeň LTD kovové pouzdro (nejčastěji toroidní plášťs řezem na vnitřním průměru torusu), který se nazývá induktor . Uvnitř induktoru LTD stupně je primární zásobník energie tohoto stupně v podobě baterie paralelně zapojených vysokonapěťových kondenzátorů , přičemž každá větev baterie má svůj vypínač - vybíječ plynu . Při současném chodu těchto jiskřišť vzniká výstupní impuls, který je aplikován na řez na vnitřním průměru LTD stupně [1] .
Stupeň LTD lze považovat za transformátor s jedním primárním závitem (kolem jádra) a jedním sekundárním závitem (ve formě tlumivky), nebo za přímé vybití ekvivalentní kapacity C = NC i baterie N kondenzátorů . s kapacitou C i k zátěži R , zapnuté paralelně s impedancí jádra .
Vzhledem k tomu, že primární okruh je umístěn uvnitř stupně LTD, je výhodnější jej postavit na kondenzátorech s relativně malými rozměry. Zmenšení velikosti kondenzátoru znamená zmenšení jeho kapacity , což dává vybíjecímu obvodu stupně LTD výhodu, že při malé kapacitě může být jeho výstupní puls poměrně krátký (~ 100-200 ns v polovině maxima). To umožňuje vytvářet LTD-generátory s přímou akcí, které tvoří puls o délce trvání 100 ns na zátěži bez použití jakýchkoli mezilehlých (kapacitních nebo indukčních) zařízení pro ukládání energie [2] .
První stupně LTD (mikrosekundový rozsah trvání výstupního pulzu) byly vyvinuty v Ústavu vysokoproudé elektroniky Sibiřské pobočky Ruské akademie věd (Tomsk ) v roce 1995 Borisem Michajlovičem Kovalčukem , akademikem Ruské akademie věd . Koncept LTD stupňů navržený Borisem Kovalchukem, ve kterém byly primární akumulační kondenzátory a jiskřiště integrovány přímo do konstrukce LTD bez jakýchkoli kabelů ve výbojovém obvodu, byl prvním důležitým krokem k rozvoji technologie LTD [1] .
V roce 2000 doktor technických věd , profesor , vedoucí výzkumný pracovník Ústavu silnoproudé elektroniky sibiřské pobočky Ruské akademie věd Kim Alexander Andreevich navrhl a experimentálně demonstroval možnost vytvoření výkonných primárních paměťových zařízení založených na lineárních transformátorech s doba výdeje energie ~ 100 ns [3] .
Podle doby trvání výstupního proudového pulsu se rozlišují LTD stupně v mikrosekundovém rozsahu trvání (nazývané pomalé LTD stupně ) a 100-ns trvání (nazývané rychlé LTD stupně ) [1] . Podle tvaru výstupního proudového impulsu existují standardní LTD stupně se zvonovitým impulsem a LTD stupně s kvazi pravoúhlým (z latinského quas (i) „jako“, „něco jako“) výstupním pulzem (tzv. Square Pulse LTD ) [4] . Podle typu izolace se stupně LTD dělí na stupně vzduchem izolované a olejové. Existuje také klasifikace podle maximální amplitudy výstupního proudového impulsu.
Příkladem pomalého stupně LTD je stupeň LTD-1000. Jeho induktor má tvar nikoli toroidu, ale pravoúhlého rovnoběžnostěnu s válcovým otvorem uprostřed, kde je umístěn řez tohoto induktoru. Primární obvod tohoto stupně se skládá ze dvou kondenzátorů o kapacitě 3,95 uF každý (s vnitřní indukčností 10 nH ), z nichž každý je vybíjen přes své vlastní jiskřiště. Sekce induktoru je utěsněna izolátorem pro oddělení jejího vnitřního objemu, naplněného suchým vzduchem o tlaku do 3 atmosfér, od objemu výstupního vakuového koaxiálního vedení .
Příkladem rychlého stupně LTD je stupeň LTD-100. Stupeň obsahuje 18 kondenzátorů s nabíjecím napětím 100 kV , kapacitou 40 nF a indukčností 25 nH , rozdělených do 9 stejných párů. Kondenzátory každého páru jsou nabíjeny různou polaritou až do napětí ± 100 kV a jsou spínány vlastním plynovým vybíječem na zátěž. Blok sestávající ze dvou párových kondenzátorů, vybíječe plynu a spojovacích pneumatik se nazýval LTD sekce [2] .
Myšlenka takto rychlého LTD stupně byla založena na skutečnosti, že ekvivalentní elektrický obvod LTD stupně je RLC obvod a proto je doba náběhu jeho výstupního impulsu určena časovou konstantou tohoto obvodu, rovna ( LC) 1/2 . Existují dva způsoby, jak zkrátit dobu náběhu impulsu: snížením indukčnosti ekvivalentního obvodu a/nebo snížením jeho kapacity. Pokles indukčnosti je limitován konstrukcí a základnou prvku stupně, proto radikálního snížení doby náběhu výstupního impulsu lze dosáhnout pouze snížením kapacit akumulačních kondenzátorů stupně. Pokud však dojde ke snížení kapacity stupňových kondenzátorů, pak by se pro zachování množství akumulované energie ve stupni měl zvýšit počet jeho paralelních LC obvodů [5] . Charakteristickým rysem těchto stupňů je, že umožňují získat vysoce výkonné pulzy s trváním nanosekund bez použití mezilehlých zařízení pro ukládání energie, protože mezilehlá zařízení pro ukládání energie jsou potřebná pouze tehdy, když nelze získat pulz s požadovanou energií a dobou trvání. na výstupu primárního úložného zařízení.
Nejvýkonnější z rychlých LTD stupňů, vyvinutý pro rok 2020, se nazývá Stage 1 MA LTD . Má výkon 100 GW a umožňuje získat proud asi 1 MA při přizpůsobené zátěži 0,1 Ω , stoupající přibližně za 100 ns . Primární obvod tohoto stupně obsahuje 80 kondenzátorů o kapacitě 40 nF , které jsou rozděleny do 40 párů. Kondenzátory každého páru jsou nabíjeny opačnou polaritou na napětí ± 100 kV a jsou spojeny s vybíjecím obvodem stupně vícemezorovým plynovým jiskřištěm. Pro izolaci prvků uvnitř stolku je celá jeho vnitřní dutina naplněna transformátorovým olejem . Jeho průměr je přibližně 3 m , délka podél osy výstupního vedení je ~ 25 cm [6] .
Elektrické parametry stupně 1MA LTD jsou takové, že jej lze již nyní považovat za hlavní prvek pulzního LTD generátoru pro inerciální řízenou termonukleární fúzi [7] , [8] . Navíc, protože LTD stupně zahrnují primární okruhy, je LTD generátor kompaktnější ve srovnání s jinými typy generátorů se srovnatelnými parametry. Takže například LTD generátor s výstupním proudem 1 MA a výkonem 1 TW zabírá plochu pouhých 8 m 2 . Pro srovnání, objem, který zabírá olejová nádrž závodu AURORA, je cca 12 000 m 3 , což je přesně 100x více než u LTD generátoru s téměř stejnými parametry [9] . V současné době Sandia National Laboratories ( SNL, USA) studuje možnost vytvoření 1000 TW generátoru založeného na LTD stupních [7] .
Konvenční rychlé stupně LTD díky skutečnosti, že jejich ekvivalentní obvod je obvod RLC , umožňují získat výstupní impuls ve tvaru zvonu. Rozsah takového pulsu je velmi široký: pulsní termonukleární energie , generování vysokovýkonných rentgenových pulsů, čerpání laserových aktivních médií atd. Nicméně v některých aplikacích, jako je pulsní radiografie , napájení Z-pinchů , vysoce výkonné výkonové mikrovlnné generátory , puls s plochým, stoupajícím nebo klesajícím vrcholem. Puls tohoto tvaru lze získat pomocí rychlých LTD stupňů s kvazi-čtvercovým výstupním impulsem, takové stupně se nazývají Square Pulse LTD .
Myšlenka vytvoření pravoúhlého pulsu ve fázi LTD je založena na Fourierově teorému , který říká, že signál libovolného tvaru lze opakovat superponováním řady sinusových (a kosinusových) harmonických - tato řada se nazývá Fourierova řada . Výstupní proudový impuls ve stupni LTD může mít kvazi pravoúhlý tvar za předpokladu, že sekce ve stupni budou dvou různých typů: některé z nich jsou standardní sekce , které dodávají proud s frekvencí ω 1 do zátěže, která dodává hlavní energii zátěži a druhou částí jsou upravené sekce , které do zátěže vydávají proud o frekvenci 3ω 1 , který vyhlazuje výstupní impuls v jeho horní části, dává mu obdélníkový tvar a snižuje náběh a pokles časy tohoto pulzu [4] .
Stupeň Square Pulse LTD byl testován s různým počtem standardních (s) a upravených (m) sekcí. Konfigurace jsou podmíněně označeny jako 2s + 2m , 4s + 2m , 6s + 2m, 6s + 3m atd. Možnost nastavení zpoždění odezvy samostatné sekce umožňuje řídit tvar výstupního impulsu celého stupně ( sklon jeho plochého vrcholu).
Sériové zapojení LTD stupňů tvoří indukční LTD generátor, přičemž výstupní elektroda připojená k zátěži je umístěna na ose stupňů. Tato elektroda je vnitřní elektrodou výstupního vedení generátoru, vnější elektroda tohoto vedení tvoří vnitřní plochy samotných stupňů LTD. Takový generátor LTD se nazývá modul LTD .
V roce 2004 byly dodány rychlé LTD stupně z ISE SB RAS do SNL ( USA ) jako součást modulu 1 MV a 125 kA [10] . Dalších 14 dokončených etap bylo zformováno do urychlovače URSA Minor , který úspěšně fungoval pro radiografické aplikace. První Z-pinch zatížený oscilátor postavený pomocí technologie LTD byl urychlovač SPHINX v Gram Research Center [11] (Centre d' Etude de Grammat), Francie [1] .
Je možné kombinovat několik LTD modulů do jedné instalace.
Například návrh LTD generátoru pro inerciální řízenou fúzi má primární akumulační zařízení vyrobené ve formě sekvenční sestavy rychlých LTD stupňů, které se vybíjí do exponenciálních přenosových vedení [12] (tj. přenosových vedení s exponenciálním impedanční profil). Celý objem výstupních vedení LTD generátorů a exponenciálních přenosových vedení je naplněn deionizovanou vodou . Těmito vedeními je impuls z LTD stupňů přiváděn do vodo-vakuové průchodky, která odděluje sekci s hydroizolací od sekce s vakuovou izolací. Za tímto izolátorem jsou vedena přenosová vedení s magnetickou samoizolací [13] . Jejich prostřednictvím je přiváděna energie do zátěže ve formě Z-pinch (v horní části vakuové sekce).
Pro rok 2020 je nejvýkonnějším strojem využívajícím technologii LTD termonukleární výkonný pulzní napájecí modul M-50, který byl poprvé popsán v práci L. Chena a kol., „Vývoj fúzně orientovaného pulzního napájecího modulu“ [14] . Stroj M-50 se skládá z 50 identických LTD stupňů a vakuově izolovaného koaxiálního výstupního vedení.
V něm jsou stupně LTD rozděleny do pěti skupin, z nichž každá se skládá z deseti na sebe navazujících stupňů a má délku 2,7 m . Tyto skupiny jsou odděleny kónickými vedeními dlouhými 0,8 m. Vnitřní elektrodou vedení je katoda o celkové délce 20 m a hmotnosti 2400 kg ; jeho průměr je konstantní podél každé skupiny deseti dutin. Tato katodová elektroda je navržena jako gravitačně kompenzovaná struktura; jeho maximální naměřená excentricita je 1,48 mm. Všech 50 stupňů již bylo postaveno a testováno v režimu přizpůsobeného zatížení 0,09 Ohmu . Modul M-50 je jedním z 60 modulů termojaderné pulzní elektrárny s celkovou akumulovanou energií 96 MJ , z čehož 12,3 MJ bude přeměněno na kinetickou energii Z-pinče při jeho implozi .