技術(shù)優(yōu)勢LTD獨特的電路結(jié)構(gòu)賦予其諸多優(yōu)點:(1)LTD中的電容器充放電均為并聯(lián)進行,在次級實現(xiàn)電壓疊加,初級工作電壓低(<200kV),絕緣要求降低。(2)作為初級儲能,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。(3)快脈沖LTD可提供100ns以下的短脈沖,可直接驅(qū)動Zpinch、二極管等負載。
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,其初級儲能源首次應(yīng)用了LTD技術(shù),是LTD技術(shù)研究的開端。此時,LTD被命名為LPT,Modul裝置的LTD由28級模塊串聯(lián),每級模塊由2個電容器(3F,40nH,50kV)和2個火花開關(guān)串聯(lián)組成,正負充電,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。這些裝置的初級儲能源均采用了LTD技術(shù),SNOP3裝置的LTD由24級模塊串聯(lián)組成,輸出參數(shù)為2MV/1.3s;MIG裝置的LTD由60級模塊串聯(lián)組成,輸出參數(shù)為6MV/1.3s<2>。
在此發(fā)展階段,LTD均作為初級儲能源為水介質(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;初級回路工作于空微秒量級LTD模塊氣中,并未密封于金屬殼體內(nèi),運行維護方便,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,初級電流全部繞過磁芯;次級采用甘油浸漬的絕緣介質(zhì)膜來絕緣。
模塊系列化、標準化從1995年到2000年,s量級的LTD技術(shù)發(fā)展成熟,初步形成系列化、標準化模塊,并開始應(yīng)用于大型裝置中。
CEG與HCEI合作,計劃采用s量級LTD作為初級能源,采用電感儲能方式,用POS實現(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(計劃30MA)。1997年,報道用HAEFELY電容器(5.6F/75kV/10nH/50m)和同軸多級多通道開關(guān)(90kV/20nH/1MA)構(gòu)成子塊(單向充電),兩個子塊并聯(lián)構(gòu)成一個LTD模塊,并以此為基礎(chǔ)建成了一個20級模塊串聯(lián)的單路裝置,末端用POS實現(xiàn)脈沖的最后壓縮<5>。后來,SYRINX研究方向調(diào)整為探索用磁通壓縮的方法實現(xiàn)功率增益。2000年,報道已建成的原理驗證裝置ECF1儲能600kJ,由6路LTD并聯(lián)組成,每路由4級LTD模塊串聯(lián)組成。其中2路為次級發(fā)生器,輸出參數(shù)為250kA/1s,用于產(chǎn)生磁通;4路為初級發(fā)生器,輸出參數(shù)為2MA/1s,用于驅(qū)動等離子體套筒壓縮磁通。2002年,ECF1裝置升級為ECF2,采用16路LTD并聯(lián),每路10級,其中初級發(fā)生器12路,次級發(fā)生器4路,總儲能為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),運行時充電75kV;矩形多級多通道開關(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)磁通壓縮后對負載的輸出電流為14MA.ECF2裝置計劃增加LTD并聯(lián)路數(shù)和每路LTD模塊數(shù),并擬采用二級磁通壓縮來實現(xiàn)脈沖壓縮,以擴大到更大規(guī)模(60MA)<6>。ECF2用于磁通壓縮的研究于2003年截至,裝置經(jīng)改造用作長脈沖(約1s)PRS驅(qū)動源,并重新命名為Sphinx.Sphinx由12路LTD并聯(lián)組成,每路8級模塊串聯(lián),總儲能為1MJ.計劃至2006年升級至16路,每路10級,總儲能為3MJ,X射線產(chǎn)額超過100kJ<7>,現(xiàn)已完成16路并聯(lián),每路8級串聯(lián),單級模塊進一步改進,使之能夠運行在70kV,模塊命名為LTD05<8>。ECF系列裝置及Sphinx裝置開創(chuàng)了LTD多路并聯(lián)的先河,也是唯一儲能達到MJ量級的LTD綜合系統(tǒng)。
該階段,LTD的模塊設(shè)計開始集成化和標準化;初級回路設(shè)計采用了類似感應(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,大大減小了初級回路電感(約110nH)且整個裝置外殼在運行時始終處于地電位。
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。主要的需求牽引和發(fā)展方向有:第一,用于ICF點火乃至未來慣性聚變能(IFE)研究的超大型Zpinch驅(qū)動源,100ns量級的LTD模塊向電流水平更高、重復頻率運行方向發(fā)展。第二,作為驅(qū)動各種類型二極管用于閃光照相的驅(qū)動源,脈寬50ns左右的LTD向重復頻率運行,參數(shù)調(diào)整靈活方便、結(jié)構(gòu)緊湊、運行高效可靠的方向發(fā)展。第三,作為磁驅(qū)動等熵壓縮(ICE)驅(qū)動源,LTD向驅(qū)動電流波形調(diào)整靈活可靠、運行高效的方向發(fā)展。