La etapa de transformador lineal ( LTD-stage , del controlador de transformador lineal inglés ) es un generador de inducción de pulsos de alto voltaje y alta corriente , cuyo principio de funcionamiento se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday , según la cual en los extremos de un bucle conductor penetrado por un flujo variable en el tiempo de inducción magnética Ф (t), se induce una fuerza electromotriz ε(t) , proporcional a la tasa de cambio del flujo Ф(t) . Estructuralmente, la etapa LTD es una caja de metal (la mayoría de las veces es una carcasa toroidal con un corte en el diámetro interior del toro), que se denomina inductor . Dentro del inductor de la etapa LTD, hay un almacenamiento de energía primaria de esta etapa en forma de una batería de capacitores de alto voltaje conectados en paralelo, mientras que cada rama de la batería tiene su propio interruptor: un descargador de gas . Con el funcionamiento simultáneo de estas vías de chispas, se forma un pulso de salida, que se aplica al corte en el diámetro interior de la etapa LTD [1] .
La etapa LTD se puede considerar como un transformador con una vuelta primaria (alrededor del núcleo) y una vuelta secundaria (en forma de inductor), o como una descarga directa de la capacidad equivalente C = NC i de una batería de N condensadores con una capacitancia C i a la carga R , conectado en paralelo a la impedancia del núcleo .
Dado que el circuito primario está ubicado dentro de la etapa LTD, es más conveniente construirlo con capacitores de dimensiones relativamente pequeñas. Reducir el tamaño del capacitor significa reducir su capacitancia , y esto le da al circuito de descarga de la etapa LTD la ventaja de que, con una capacitancia pequeña, su pulso de salida puede ser bastante corto (~ 100-200 ns a la mitad del máximo). Esto le permite crear generadores LTD de acción directa, que forman un pulso de un rango de duración de 100 ns en la carga sin utilizar ningún dispositivo de almacenamiento de energía intermedio (capacitivo o inductivo) [2] .
Las primeras etapas LTD (rango de microsegundos de duración del pulso de salida) fueron desarrolladas en el Instituto de Electrónica de Alta Corriente de la Rama Siberiana de la Academia Rusa de Ciencias (Tomsk ) en 1995 por Boris Mikhailovich Kovalchuk , Académico de la Academia Rusa de Ciencias . El concepto de etapas LTD propuesto por Boris Kovalchuk, en el que los condensadores de almacenamiento primario y las vías de chispas se integraban directamente en la estructura LTD sin ningún cable en el circuito de descarga, fue el primer paso importante hacia el desarrollo de la tecnología LTD [1] .
En 2000, el Doctor en Ciencias Técnicas , Profesor , Investigador Principal del Instituto de Electrónica de Alta Corriente de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia, Kim Alexander Andreevich, propuso y demostró experimentalmente la posibilidad de crear potentes dispositivos de almacenamiento primario basados en transformadores lineales con un tiempo de salida de energía de ~ 100 ns [3] .
De acuerdo con la duración del pulso de corriente de salida, hay etapas LTD del rango de microsegundos de duración (llamadas etapas LTD lentas ) y un rango de duración de 100 ns (llamadas etapas LTD rápidas ) [1] . De acuerdo con la forma del pulso de corriente de salida, existen etapas LTD estándar con un pulso en forma de campana y etapas LTD con un pulso de salida casi rectangular (del latín quas (i) "como", "algo así") (llamado Pulso cuadrado LTD ) [4] . Según el tipo de aislamiento, las etapas LTD se dividen en etapas aisladas en aire y aisladas en aceite. También existe una clasificación según la amplitud máxima del pulso de corriente de salida.
Un ejemplo de una etapa LTD lenta es la etapa LTD-1000. Su inductor no tiene la forma de un toroide, sino de un paralelepípedo rectangular con un agujero cilíndrico en el medio, donde se encuentra el corte de este inductor. El circuito primario de esta etapa consta de dos condensadores con una capacidad de 3,95 uF cada uno (con una inductancia interna de 10 nH ), que se descargan cada uno a través de su propio espacio de chispa. La sección del inductor está sellada con un aislador para separar su volumen interno, lleno de aire seco con una presión de hasta 3 atmósferas, del volumen de la línea coaxial de vacío de salida .
Un ejemplo de una etapa LTD rápida es la etapa LTD-100. La etapa contiene 18 capacitores con un voltaje de carga de 100 kV , una capacitancia de 40 nF y una inductancia de 25 nH , divididos en 9 pares idénticos. Los condensadores de cada par se cargan en diferente polaridad hasta un voltaje de ± 100 kV y se conectan a la carga mediante su propio descargador de gas. Un bloque que consta de dos condensadores emparejados, un descargador de gas y neumáticos de conexión se denominó sección LTD [2] .
La idea de una etapa LTD tan rápida se basó en que el circuito eléctrico equivalente de la etapa LTD es un circuito RLC y por lo tanto el tiempo de subida de su pulso de salida está determinado por la constante de tiempo de este circuito, igual a ( LC) 1/2 . Hay dos formas de reducir el tiempo de subida del pulso: reduciendo la inductancia del circuito equivalente y/o reduciendo su capacitancia. La disminución de la inductancia está limitada por el diseño y la base del elemento de la etapa, por lo tanto, solo se puede lograr una disminución radical en el tiempo de subida del pulso de salida reduciendo las capacitancias de los capacitores de almacenamiento de la etapa. Sin embargo, si se reduce la capacitancia de los capacitores de etapa, entonces, para preservar la cantidad de energía almacenada en la etapa, se debe aumentar el número de sus circuitos LC en paralelo [5] . Una característica distintiva de tales etapas es que permiten obtener pulsos de alta potencia de nanosegundos de duración sin el uso de dispositivos intermedios de almacenamiento de energía, ya que los dispositivos intermedios de almacenamiento de energía son necesarios solo cuando no se puede obtener un pulso con la energía y la duración requeridas. en la salida del dispositivo de almacenamiento primario.
La más potente de las etapas LTD rápidas, desarrollada para 2020, se llama Stage 1 MA LTD . Tiene una potencia de 100 GW y permite obtener una corriente de aproximadamente 1 MA con una carga adaptada de 0,1 Ω , aumentando en aproximadamente 100 ns . El circuito primario de esta etapa contiene 80 condensadores con una capacidad de 40 nF , que se dividen en 40 pares. Los condensadores de cada par se cargan en polaridad opuesta a una tensión de ± 100 kV y se conectan al circuito de descarga de la etapa mediante una vía de chispas de gas multigap. Para aislar los elementos del interior del escenario, se llena toda su cavidad interna con aceite de transformador . Su diámetro es de aproximadamente 3 m , la longitud a lo largo del eje de la línea de salida es de ~ 25 cm [6] .
Los parámetros eléctricos de la etapa 1MA LTD son tales que aún hoy puede considerarse como el elemento principal de un generador de pulsos LTD para fusión termonuclear controlada por inercia [7] , [8] . Además, dado que las etapas LTD incluyen circuitos primarios, el generador LTD es más compacto en comparación con otros tipos de generadores con parámetros comparables. Entonces, por ejemplo, un generador LTD con una corriente de salida de 1 MA y una potencia de 1 TW ocupa un área de solo 8 m 2 . A modo de comparación, el volumen que ocupa el depósito de aceite de la planta AURORA es de unos 12.000 m 3 , exactamente 100 veces más que un generador LTD con casi los mismos parámetros [9] . Actualmente, Sandia National Laboratories ( SNL, USA) está estudiando la posibilidad de crear un generador de 1000 TW basado en etapas LTD [7] .
Las etapas LTD rápidas convencionales, debido a que su circuito equivalente es un circuito RLC , permiten obtener un pulso de salida en forma de campana. El alcance de un pulso de este tipo es muy amplio: energía termonuclear pulsada , generación de pulsos de rayos X de alta potencia , bombeo de medios activos láser , etc. generadores de microondas de potencia , un pulso con una parte superior plana, ascendente o descendente. Se puede obtener un pulso de esta forma utilizando etapas LTD rápidas con un pulso de salida casi cuadrado, tales etapas se denominan Square Pulse LTD .
La idea de formar un pulso rectangular en una etapa LTD se basa en el teorema de Fourier , que establece que una señal de cualquier forma se puede repetir superponiendo una serie de armónicos sinusoidales (y cosenos); esta serie se llama la serie de Fourier . El pulso de corriente de salida en la etapa LTD puede tener una forma casi rectangular, siempre que las secciones en la etapa sean de dos tipos diferentes: algunas de ellas son secciones estándar que entregan corriente con una frecuencia ω 1 a la carga, que proporciona la energía principal a la carga, y la otra parte son secciones modificadas que emiten una corriente con una frecuencia de 3ω 1 a la carga , lo que suaviza el pulso de salida en su parte superior, le da forma rectangular y reduce la subida y bajada tiempos de este pulso [4] .
La platina Square Pulse LTD ha sido probada con varios números de secciones estándar (s) y modificadas (m). Las configuraciones se designan condicionalmente como 2s + 2m , 4s + 2m , 6s + 2m, 6s + 3m , etc. La capacidad de ajustar el retardo de respuesta de una sección separada hace posible controlar la forma del pulso de salida de toda la etapa ( la pendiente de su cima plana).
La conexión en serie de las etapas LTD forma un generador LTD de inducción, mientras que el electrodo de salida conectado a la carga se encuentra en el eje de las etapas. Este electrodo es el electrodo interno de la línea de salida del generador, el electrodo externo de esta línea forma las superficies internas de las etapas LTD. Tal generador LTD se llama módulo LTD .
En 2004, se entregaron etapas LTD rápidas de ISE SB RAS a SNL ( EE . UU .) como parte de un módulo de 1 MV y 125 kA [10] . Otras 14 etapas completadas se formaron en el acelerador URSA Minor , que funcionó con éxito para aplicaciones radiográficas . El primer oscilador cargado Z-pinch construido con tecnología LTD fue el acelerador SPHINX en el Gram Research Centre [11] (Centre d'Etude de Grammat), Francia [1] .
Es posible combinar varios módulos LTD en una sola instalación.
Por ejemplo, el diseño de un generador LTD para fusión controlada por inercia tiene un dispositivo de almacenamiento primario realizado en forma de un conjunto secuencial de etapas LTD rápidas, que se descarga en líneas de transmisión exponencial [12] (es decir, líneas de transmisión con un exponencial ). perfil de impedancia). Todo el volumen de las líneas de salida de los generadores LTD y las líneas de transmisión exponencial se llena con agua desionizada . A través de estas líneas, el impulso de las etapas LTD se alimenta al aislador de vacío de agua, que separa la sección con aislamiento de agua de la sección con aislamiento de vacío. Detrás de este aislador se encuentran líneas de transmisión con autoaislamiento magnético [13] . A través de ellos se suministra energía a la carga en forma de Z-pinch (en la parte superior de la sección de vacío).
Para 2020, la máquina más potente que utiliza la tecnología LTD es el módulo de potencia pulsada potente termonuclear M-50, que se informó por primera vez en el trabajo de L. Chen et al. "Desarrollo de un módulo de potencia pulsada orientado a la fusión" [14] . La máquina M-50 consta de 50 etapas LTD idénticas y una línea de salida coaxial aislada al vacío.
En él, las etapas LTD se dividen en cinco grupos, cada uno de los cuales consta de diez etapas consecutivas y tiene una longitud de 2,7 m . Estos grupos están separados por líneas cónicas de 0,8 m de largo El electrodo interior de la línea es un cátodo con una longitud total de 20 m y una masa de 2400 kg ; su diámetro es constante a lo largo de cada grupo de diez cavidades. Este electrodo de cátodo está diseñado como una estructura compensada por gravedad; su excentricidad máxima medida es de 1,48 mm. Las 50 etapas ya han sido construidas y probadas en el modo de carga combinada de 0,09 ohmios . El módulo M-50 es uno de los 60 módulos de una planta de energía termonuclear pulsada con una energía almacenada total de 96 MJ , de los cuales 12,3 MJ se convertirán en la energía cinética del Z-pinch durante su implosión .