Le concept d'un nouveau deux

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18176 (2022) Citer cet article

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Ce manuscrit présente le concept, le principe de fonctionnement physique et les études sur un nouveau et unique fusible de formation à deux étages (TSFF) avec commutation d'éclateur inter-étages et présente son application pour la formation d'impulsions de haute puissance de paramètres extrêmes. L'article classe les performances du TSFF et les compare aux fusibles de formage conventionnels à un étage. Les conclusions sont étayées par des études analytiques et expérimentales en conditions de laboratoire. La conception du prototype TSFF ainsi que les méthodes de mesure appliquées et les bancs d'essai sont également présentés. La technologie développée du TSFF permet d'atteindre des paramètres sans précédent d'impulsions de haute puissance avec des surtensions atteignant 800 kV et une puissance d'impulsion de plusieurs dizaines de GW dans une conception très compacte. Les propriétés uniques du TSFF permettent son intégration efficace avec une large gamme de sources d'énergie, même avec une inclinaison de courant très limitée ou une tension de sortie limitée, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent avec les fusibles de formation conventionnels à un étage. Le système proposé peut être facilement mis à l’échelle, tout en garantissant une bien plus grande flexibilité des applications.

Dans de nombreux domaines scientifiques et techniques, il est nécessaire de générer des impulsions électriques de haute puissance avec une amplitude de courant (de l'ordre de centaines de kA) ou de tension (de l'ordre de centaines de kV) significative et une durée de fractions de microseconde1. . De telles impulsions sont utilisées par exemple pour émuler des processus physiques avec des paramètres extrêmes dans des conditions de laboratoire (générateurs de surtensions atmosphériques de tension ou de courant2,3, systèmes de recherche pour le plasma ou la physique nucléaire, par exemple générateurs de plasma X-pinch) ou comme impulsions alimentant des sources de rayonnement électromagnétique de haute puissance, généralement pour des systèmes radar4, des sources laser pulsées5 ou des systèmes à énergie dirigée6 (systèmes anti-drones7,8, systèmes militaires9 etc.). Les applications de sources d'impulsions de haute puissance nécessitent souvent une forme compacte10 à des fins de transport11, ou pour permettre une installation dans un petit boîtier (par exemple dans le corps du missile). La génération directe d'impulsions de paramètres aussi extrêmes avec l'utilisation d'un seul étage de génération est impossible en pratique, en raison de difficultés techniques importantes (résultant de contraintes électriques ou électrodynamiques et thermiques à haute tension). Dans le même temps, les sources d'impulsions individuelles ne fournissent pas de paramètres d'impulsion appropriés (en termes d'amplitude insuffisante ou de durée d'impulsion trop longue). Par conséquent, dans les systèmes réels, la génération d'impulsions de haute puissance est réalisée indirectement à l'aide de systèmes en cascade (comme le montre la figure 1) dans lesquels chaque étape successive provoque une augmentation relative de la puissance de crête de l'impulsion tout en réduisant sa durée12.

Schéma fonctionnel du système de génération et de formation en cascade d'impulsions de haute puissance.

Les solutions de circuits de génération et de formation d'impulsions de haute puissance peuvent être divisées en systèmes de type courant et tension, en fonction de la nature de l'impulsion générée. Les solutions typiques de systèmes de tension sont les générateurs Marx13,14,15,16 ou d'autres types de systèmes multiplicateurs de tension, souvent intégrés à des lignes de formage spéciales17,18, par exemple dans la topologie Blumlein19,20. Dans le cas des générateurs de type courant, la solution la plus couramment utilisée est le générateur à compression de flux magnétique (FCG)21,22, qui multiplie la valeur du courant par compression explosive du flux magnétique couplé à l'enroulement du générateur23,24,25. L'impulsion de sortie de courant FCG est façonnée dans un système de formation d'impulsions (PFS) afin d'adapter ses paramètres aux exigences de la charge. La figure 2 montre le schéma du concept de fonctionnement d'un PFS à base de fusibles alimenté par la batterie de condensateurs. Le processus de formage est basé sur le phénomène de limitation dynamique du courant circulant dans la bobine inductive de formage par l'interrupteur à ouverture extrêmement rapide qui génère d'importantes surtensions transmises à la charge du système. L'élément de commutation le plus fréquemment utilisé est un fusible formant (FF)26,27,28, dont le principe de fonctionnement repose sur la désintégration rapide des éléments fusibles (le plus souvent réalisés sous la forme d'un faisceau de fils bien conducteurs ou de bandes d'aluminium ) en raison du flux de courants à haute densité29. Une classification détaillée, une introduction à la technologie et une liste de paramètres exemplaires de formation de fusibles dans le but de générer des impulsions de haute puissance (en tenant compte de diverses sources primaires et systèmes de génération d'impulsions) ont été présentées dans la Réf.30.