線形變壓器帶動(dòng)源探討概論

技術(shù)優(yōu)勢(shì)LTD獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)賦予其諸多優(yōu)點(diǎn)：(1)LTD中的電容器充放電均為并聯(lián)進(jìn)行，在次級(jí)實(shí)現(xiàn)電壓疊加，初級(jí)工作電壓低(200kV)，絕緣要求降低。(2)作為初級(jí)儲(chǔ)能，可提供較短的脈沖輸出，節(jié)省脈沖壓縮段，使裝置比較緊湊，降低了裝置造價(jià)。(3)快脈沖LTD可提供100ns以下的短脈沖，可直接驅(qū)動(dòng)Zpinch、二極管等負(fù)載。

使用模塊化LTD，輸出參數(shù)可以靈活調(diào)整。如輸出極性、輸出電壓及阻抗的改變。LTD的研究現(xiàn)狀LTD的概念20世紀(jì)70年代就已提出，迄今為止LTD技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，技術(shù)日益成熟展示出廣闊的應(yīng)用前景。

提出原理與初步應(yīng)用從20世紀(jì)70年代到90年代初，是LTD技術(shù)的最初發(fā)展階段，LTD技術(shù)的原理被提出并得到初步應(yīng)用。俄羅斯大電流所(HCEI)的G.A.Mesyats和B.M.Kovachuck是LTD技術(shù)的先驅(qū)。1979年，G.A.Mesyats等人研制了用于產(chǎn)生高溫等離子體的Modul裝置，其初級(jí)儲(chǔ)能源首次應(yīng)用了LTD技術(shù)，是LTD技術(shù)研究的開端。此時(shí)，LTD被命名為L(zhǎng)PT，Modul裝置的LTD由28級(jí)模塊串聯(lián)，每級(jí)模塊由2個(gè)電容器(3F，40nH，50kV)和2個(gè)火花開關(guān)串聯(lián)組成，正負(fù)充電，輸出參數(shù)為2.3MV/1.4s.從1987年到1997年，HCEI陸續(xù)研制了SNOP2、SNOP3系列裝置和MIG多用途裝置。這些裝置的初級(jí)儲(chǔ)能源均采用了LTD技術(shù)，SNOP3裝置的LTD由24級(jí)模塊串聯(lián)組成，輸出參數(shù)為2MV/1.3s;MIG裝置的LTD由60級(jí)模塊串聯(lián)組成，輸出參數(shù)為6MV/1.3s2>。

在此發(fā)展階段，LTD均作為初級(jí)儲(chǔ)能源為水介質(zhì)脈沖壓縮段充電。裝置的電容器和開關(guān)構(gòu)成的初級(jí)回路結(jié)構(gòu)松散，回路電感較大(約450nH)，不利于快脈沖輸出;初級(jí)回路工作于空微秒量級(jí)LTD模塊氣中，并未密封于金屬殼體內(nèi)，運(yùn)行維護(hù)方便，但工作電壓較低且不利于裝置緊湊化;相鄰模塊間相互絕緣，初級(jí)電流全部繞過(guò)磁芯;次級(jí)采用甘油浸漬的絕緣介質(zhì)膜來(lái)絕緣。

模塊系列化、標(biāo)準(zhǔn)化從1995年到2000年，s量級(jí)的LTD技術(shù)發(fā)展成熟，初步形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化模塊，并開始應(yīng)用于大型裝置中。

CEG與HCEI合作，計(jì)劃采用s量級(jí)LTD作為初級(jí)能源，采用電感儲(chǔ)能方式，用POS實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，再經(jīng)多路并聯(lián)獲得大電流，建造大型PRS輻射源裝置(計(jì)劃30MA)。1997年，報(bào)道用HAEFELY電容器(5.6F/75kV/10nH/50m)和同軸多級(jí)多通道開關(guān)(90kV/20nH/1MA)構(gòu)成子塊(單向充電)，兩個(gè)子塊并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)LTD模塊，并以此為基礎(chǔ)建成了一個(gè)20級(jí)模塊串聯(lián)的單路裝置，末端用POS實(shí)現(xiàn)脈沖的最后壓縮5>。后來(lái)，SYRINX研究方向調(diào)整為探索用磁通壓縮的方法實(shí)現(xiàn)功率增益。2000年，報(bào)道已建成的原理驗(yàn)證裝置ECF1儲(chǔ)能600kJ，由6路LTD并聯(lián)組成，每路由4級(jí)LTD模塊串聯(lián)組成。其中2路為次級(jí)發(fā)生器，輸出參數(shù)為250kA/1s，用于產(chǎn)生磁通;4路為初級(jí)發(fā)生器，輸出參數(shù)為2MA/1s，用于驅(qū)動(dòng)等離子體套筒壓縮磁通。2002年，ECF1裝置升級(jí)為ECF2，采用16路LTD并聯(lián)，每路10級(jí)，其中初級(jí)發(fā)生器12路，次級(jí)發(fā)生器4路，總儲(chǔ)能為3.6MJ.ECF2裝置使用了新的LTD03模塊，LTD03模塊采用了HAEFELY電容器(4F/90kV/10nH/15m)，運(yùn)行時(shí)充電75kV;矩形多級(jí)多通道開關(guān)(4nH)，極間均壓用漏電電阻代替電暈針，開關(guān)工作于大氣壓空氣中。模塊輸出電流大于1MA，1/4周期為800ns.ECF2經(jīng)磁通壓縮后對(duì)負(fù)載的輸出電流為14MA.ECF2裝置計(jì)劃增加LTD并聯(lián)路數(shù)和每路LTD模塊數(shù)，并擬采用二級(jí)磁通壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，以擴(kuò)大到更大規(guī)模(60MA)6>。ECF2用于磁通壓縮的研究于2003年截至，裝置經(jīng)改造用作長(zhǎng)脈沖(約1s)PRS驅(qū)動(dòng)源，并重新命名為Sphinx.Sphinx由12路LTD并聯(lián)組成，每路8級(jí)模塊串聯(lián)，總儲(chǔ)能為1MJ.計(jì)劃至2006年升級(jí)至16路，每路10級(jí)，總儲(chǔ)能為3MJ，X射線產(chǎn)額超過(guò)100kJ7>，現(xiàn)已完成16路并聯(lián)，每路8級(jí)串聯(lián)，單級(jí)模塊進(jìn)一步改進(jìn)，使之能夠運(yùn)行在70kV，模塊命名為L(zhǎng)TD058>。ECF系列裝置及Sphinx裝置開創(chuàng)了LTD多路并聯(lián)的先河，也是唯一儲(chǔ)能達(dá)到MJ量級(jí)的LTD綜合系統(tǒng)。

該階段，LTD的模塊設(shè)計(jì)開始集成化和標(biāo)準(zhǔn)化;初級(jí)回路設(shè)計(jì)采用了類似感應(yīng)電壓疊加器(IVA)感應(yīng)腔的結(jié)構(gòu);電容器和開關(guān)等關(guān)鍵器件的性能有很大改善;電容器和開關(guān)集成為一體全部密封在金屬殼體內(nèi)，裝置緊湊，大大減小了初級(jí)回路電感(約110nH)且整個(gè)裝置外殼在運(yùn)行時(shí)始終處于地電位。

討論LTD技術(shù)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，目前快脈沖LTD技術(shù)成為發(fā)展的重點(diǎn)。主要的需求牽引和發(fā)展方向有：第一，用于ICF點(diǎn)火乃至未來(lái)慣性聚變能(IFE)研究的超大型Zpinch驅(qū)動(dòng)源，100ns量級(jí)的LTD模塊向電流水平更高、重復(fù)頻率運(yùn)行方向發(fā)展。第二，作為驅(qū)動(dòng)各種類型二極管用于閃光照相的驅(qū)動(dòng)源，脈寬50ns左右的LTD向重復(fù)頻率運(yùn)行，參數(shù)調(diào)整靈活方便、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行高效可靠的方向發(fā)展。第三，作為磁驅(qū)動(dòng)等熵壓縮(ICE)驅(qū)動(dòng)源，LTD向驅(qū)動(dòng)電流波形調(diào)整靈活可靠、運(yùn)行高效的方向發(fā)展。