새로운 2의 개념

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18176(2022) 이 기사 인용

968 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

이 원고는 단간 스파크 갭 정류를 갖춘 새롭고 독특한 2단 형성 퓨즈(TSFF)에 대한 개념, 물리적 작동 원리 및 연구를 소개하고 극한 매개변수의 고전력 펄스를 형성하기 위한 응용 프로그램을 제시합니다. 이 문서에서는 TSFF 성능을 분류하고 이를 기존의 단일 스테이지 성형 퓨즈와 비교합니다. 결론은 실험실 조건에서의 분석 및 실험 연구에 의해 뒷받침됩니다. TSFF 프로토타입의 설계와 적용된 측정 방법 및 테스트 스탠드도 제시됩니다. TSFF의 개발된 기술을 통해 매우 컴팩트한 설계로 과전압이 800kV에 도달하고 펄스 전력이 수십 GW인 고전력 펄스의 전례 없는 매개변수를 달성할 수 있습니다. TSFF의 고유한 특성으로 인해 전류 상승 경사가 매우 제한되거나 출력 전압이 제한된 경우에도 광범위한 에너지원과 효율적으로 통합할 수 있습니다. 이는 지금까지 기존의 단일 스테이지 형성 퓨즈로는 불가능했습니다. 제안된 시스템은 쉽게 확장할 수 있으며 애플리케이션의 유연성도 훨씬 향상됩니다.

많은 과학 및 공학 분야에서는 상당한 진폭의 전류(수백 kA 정도) 또는 전압(수백 kV 정도)과 마이크로초 단위의 지속 시간을 갖는 고전력 전기 펄스를 생성해야 합니다1 . 이러한 펄스는 예를 들어 실험실 조건(전압 또는 전류 대기 서지 발생기2,3, 플라즈마 또는 핵 물리학을 위한 연구 시스템, 예: X-핀치 플라즈마 발생기)에서 극한 매개변수를 사용하여 물리적 프로세스를 에뮬레이션하거나 고전력 전자기 방사선 소스를 공급하는 펄스로 사용됩니다. 일반적으로 레이더 시스템4, 펄스 레이저 소스5 또는 지향성 에너지 시스템6(대형 드론 시스템7,8, 군사 시스템9 등)에 사용됩니다. 고전력 펄스 소스 응용 분야에서는 운송 목적11 또는 작은 하우징(예: 미사일 본체)에 설치할 수 있도록 소형 형태10가 필요한 경우가 많습니다. 단일 생성 단계를 사용하여 이러한 극한 매개변수의 펄스를 직접 생성하는 것은 상당한 기술적 어려움(고전압 전기 또는 전기 역학 및 열 응력으로 인해 발생)으로 인해 실제로 불가능합니다. 동시에 개별 펄스 소스는 적절한 펄스 매개변수를 제공하지 않습니다(진폭이 부족하거나 펄스 지속 시간이 너무 길음). 따라서 실제 시스템에서 고전력 펄스의 생성은 각 연속 단계가 펄스의 피크 전력을 상대적으로 증가시키면서 지속 시간을 줄이는 캐스케이드 시스템(그림 1 참조)을 사용하여 간접적으로 수행됩니다.

고전력 펄스 캐스케이드 생성 및 형성 시스템의 블록 다이어그램.

고전력 펄스 생성 및 형성 회로 솔루션은 생성된 펄스의 특성에 따라 전류형 시스템과 전압형 시스템으로 나눌 수 있습니다. 전압 시스템의 일반적인 솔루션은 Marx 발전기13,14,15,16 또는 Blumlein 토폴로지19,20 등의 특수 형성 라인17,18과 통합되는 기타 유형의 전압 증배기 시스템입니다. 전류형 발전기의 경우 가장 일반적으로 사용되는 솔루션은 자속 압축 발전기(FCG)입니다. 이는 발전기 권선과 결합된 자속의 폭발적인 압축으로 전류 값을 곱합니다. FCG 전류 출력 펄스는 매개변수를 부하 요구 사항에 맞게 조정하기 위해 펄스 형성 시스템(PFS)으로 형성됩니다. 그림 2는 커패시터 뱅크에서 공급되는 퓨즈 기반 PFS의 작동 개념 다이어그램을 보여줍니다. 형성 프로세스는 시스템의 부하에 전달되는 상당한 과전압을 생성하는 매우 빠른 개방 스위치에 의해 형성 유도 코일에 흐르는 전류의 동적 제한 현상을 기반으로 합니다. 가장 자주 사용되는 스위칭 요소는 성형 퓨즈(FF)26,27,28이며, 그 작동 원리는 가용성 요소의 급속한 분해를 기반으로 합니다(가장 자주 전도성이 좋은 와이어 또는 호일 스트립의 묶음 형태로 만들어짐) ) 고밀도 전류의 흐름으로 인해29. 고전력 펄스를 생성하기 위한 퓨즈 형성에 대한 자세한 분류, 기술 소개 및 예시 매개변수 목록(다양한 1차 소스 및 펄스 생성 시스템 고려)이 Ref.30에 제시되어 있습니다.