Il concetto di un nuovo due

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18176 (2022) Citare questo articolo

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Questo manoscritto introduce il concetto, il principio di funzionamento fisico e gli studi su un nuovo ed esclusivo fusibile con formazione di due stadi (TSFF) con commutazione dello spinterometro interstadio e presenta la sua applicazione per la formazione di impulsi ad alta potenza con parametri estremi. Il documento classifica le prestazioni del TSFF e le confronta con i fusibili convenzionali a stadio singolo. Le conclusioni sono supportate da studi analitici e sperimentali in condizioni di laboratorio. Vengono inoltre presentati il ​​design del prototipo TSFF, i metodi di misurazione applicati e i banchi di prova. La tecnologia sviluppata dal TSFF consente il raggiungimento di parametri senza precedenti di impulsi ad alta potenza con sovratensioni che raggiungono 800 kV e potenza di impulso di decine di GW in un design molto compatto. Le proprietà uniche del TSFF ne consentono l'integrazione efficiente con un'ampia gamma di fonti di energia, anche con una pendenza di aumento della corrente molto limitata o una tensione di uscita limitata, cosa che finora non era possibile con i fusibili convenzionali a stadio singolo. Il sistema proposto può essere facilmente scalato, garantendo al contempo una flessibilità delle applicazioni molto maggiore.

In molti campi della scienza e dell'ingegneria, esiste la necessità di generare impulsi elettrici ad alta potenza con un'ampiezza significativa di corrente (nell'ordine di centinaia di kA) o tensione (nell'ordine di centinaia di kV) e durata di frazioni di microsecondo1 . Tali impulsi vengono utilizzati ad esempio per emulare processi fisici con parametri estremi in condizioni di laboratorio (generatori di picchi atmosferici di tensione o corrente2,3, sistemi di ricerca per la fisica del plasma o nucleare, ad esempio generatori di plasma X-pinch) o come impulsi che forniscono sorgenti di radiazioni elettromagnetiche ad alta potenza, solitamente per sistemi radar4, sorgenti laser pulsate5 o sistemi ad energia diretta6 (sistemi anti-drone7,8, sistemi militari9 ecc.). Le applicazioni con sorgenti di impulsi ad alta potenza spesso richiedono una forma compatta10 per scopi di trasporto11 o per consentire l'installazione in un piccolo alloggiamento (ad esempio nel corpo del missile). La generazione diretta di impulsi con parametri così estremi con l'uso di un unico stadio di generazione è praticamente impossibile a causa di notevoli difficoltà tecniche (derivanti da sollecitazioni elettriche o elettrodinamiche e termiche ad alta tensione). Allo stesso tempo, le singole sorgenti di impulsi non forniscono parametri di impulso adeguati (in termini di ampiezza insufficiente o durata dell'impulso troppo lunga). Pertanto, nei sistemi reali, la generazione di impulsi ad alta potenza viene effettuata indirettamente utilizzando sistemi a cascata (come mostrato in Fig. 1) in cui ogni fase successiva provoca un relativo aumento della potenza di picco dell'impulso riducendone la durata12.

Schema a blocchi del sistema di generazione e formazione di impulsi in cascata ad alta potenza.

Le soluzioni di generazione di impulsi ad alta potenza e circuiti di formazione possono essere suddivise in sistemi di tipo corrente e tensione, a seconda della natura dell'impulso generato. Soluzioni tipiche di sistemi di tensione sono i generatori Marx13,14,15,16 o altri tipi di sistemi moltiplicatori di tensione, spesso integrati con apposite linee di formazione17,18, ad esempio nella topologia Blumlein19,20. Nel caso dei generatori di corrente, la soluzione più comunemente utilizzata è il generatore a compressione di flusso magnetico (FCG)21,22, che moltiplica il valore di corrente mediante compressione esplosiva del flusso magnetico accoppiato con l'avvolgimento del generatore23,24,25. L'impulso di uscita di corrente dell'FCG è modellato in un sistema di formazione di impulsi (PFS) per adattare i suoi parametri ai requisiti di carico. La Figura 2 mostra lo schema del concetto di funzionamento di un PFS basato su fusibili alimentato dalla batteria di condensatori. Il processo di formatura si basa sul fenomeno della limitazione dinamica della corrente che scorre nella bobina induttiva di formatura ad opera dell'interruttore ad apertura estremamente rapida che genera notevoli sovratensioni trasmesse al carico del sistema. L'elemento di commutazione utilizzato più frequentemente è un fusibile formabile (FF)26,27,28, il cui principio di funzionamento si basa sulla rapida disintegrazione degli elementi fusibili (il più delle volte realizzati sotto forma di un fascio di fili ben conduttori o di strisce di alluminio ) dovuto al flusso di correnti ad alta densità29. Una classificazione dettagliata, un'introduzione alla tecnologia e un elenco di parametri esemplari per la formazione di fusibili allo scopo di generare impulsi ad alta potenza (tenendo conto di varie fonti primarie e sistemi di generazione di impulsi) sono stati presentati nel Rif.30.