Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованиям системы диагностики мощного емкостного накопителя энергии, являющегося составной частью системы импульсного питания источников накачки йодного лазера установки ИСКРА-5.
Актуальность работы.
Мощная лазерная установка ИСКРА-5 создана в РФЯЦ-ВНИИЭФ в 1975-1988 годах. На установке проводится широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований в области лазерного термоядерного синтеза, а также решается ряд вопросов оборонной направленности.
По совокупности достигнутых параметров (Ел=30кДж, іимп=0.25нс, Рл=120ТВт) установка является крупнейшей в Европе и одной из самых мощных в мире.
Проектирование установки ИСКРА-5
определило актуальность работы по созданию
системы импульсного питания, предназначенной для
обеспечения электрической энергией импульсных
источников света, используемых для накачки рабочей
среды лазерных усилителей. Система импульсного
питания является одной из наиболее ответственных,
дорогостоящих и технически сложных подсистем
лазерной установки. Необходимым условием
успешной эксплуатации системы импульсного
питания является ее диагностирование, как на стадии
заряда, так и во время разряда. Своевременная и
полная диагностика работоспособности емкостного
накопителя энергии позволяет определить
дефектный высоковольтный элемент, заменить
его на новый и, тем самым, обеспечить надежную работу системы импульсного питания лазера. Поэтому при проектировании установки ИСКРА-5 была вполне очевидна актуальность создания системы диагностики как подсистемы импульсного питания.
Цели и задачи работы.
Основной целью данной работы являлась разработка методов диагностики разрядных процессов в ячейках емкостного накопителя энергии и создание соответствующей системы диагностики применительно к условиям работы установки ИСКРА-5.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:
-
Теоретически и экспериментально исследовать процессы разряда различных типов конденсаторных ячеек на источники накачки, соединенные с коммутатором коаксиальными линиями связи.
-
Выбрать наиболее информативный физический параметр измерения, характеризующий переходные процессы в разрядных контурах и позволяющий определять максимальное число отказов элементов ячеек.
-
Разработать структурную схему систем измерений на основе функциональной схемы системы импульсного питания лазера.
-
Обеспечить достаточную точность измерений и высокую степень автоматизации процесса диагностирования.
-
Обеспечить электромагнитную совместимость аппаратуры измерений с системой импульсного
питания лазерной установки.
-
Разработать эффективные методы хранения и обработки больших объемов экспериментальной информации.
-
Выработать критерии обнаружения отказов в ячейках на основании данных диагностики.
-
Спрогнозировать возможные появления отказов элементов накопителя энергии в предстоящих экспериментах.
-
Определить степень влияния отказов ячеек накопителя энергии на параметры лазерного излучения установки.
10.Экспериментально исследовать характеристики и
работоспособность подсистем импульсного
питания на созданной элементной базе.
11.Обеспечить во время эксплуатации требуемые технические характеристики системы ИП.
Научная новизна проведенной работы
заключается в следующем:
-
В исследовании переходных процессов в разрядных контурах ячеек накопителя энергии и в разработке на их основе методов диагностирования работы ячеек путем регистрации характерных интервалов времени и в сравнении их с известными номинальными значениями.
-
В выборе, разработке и внедрении в эксплуатацию многоканального измерительного комплекса, позволяющего одновременно регистрировать времена срабатывания 665 разрядников и 1100 источников накачки с погрешностью менее 2%.
-
В исследовании и разработке технических решений по обеспечению электромагнитной совместимости аппаратных средств диагностики с мощным
накопителем энергии (с суммарным током разряда до 150МА). Высокая помехоустойчивость измерений получена за счет выбора рациональных схемных решений, как в высоковольтных ячейках накопителя, так и в системах контроля их работы, продуманной и физически обоснованной системы ' заземления, гальванической развязки датчиков сигналов от накопителя, использовании световолоконных импульсных линий связи и др. 4. В результатах исследований с помощью методики импульсной диагностики работы мощного емкостного накопителя энергии, собранного на отечественной элементной базе. Обобщение полученных результатов позволило выявить важную роль стабильности работы накачки первых каскадов усиления в лазерных каналах и выработать меры для достижения этой цели.
Практическая значимость работы состоит в том, что внедрены в эксплуатацию методы и средства диагностики разряда на нагрузку мощного емкостного накопителя энергии, позволяющие своевременно определять отказы высоковольтных элементов ячеек, что в значительной степени повысило надежность работы системы импульсного питания и способствовало решению крупной научно-технической задачи по созданию на отечественной элементной базе йодного лазера установки ИСКРА-5 с рекордными параметрами - запасаемой энергией 67МДж при рабочем напряжении 50кВ и временем ввода этой энергии в нагрузку 35мкс. Разработанные методы диагностики разряда накопителя энергии установки ИСКРА-5 могут быть использованы при создании аналогичных и более крупных
конденсаторных батарей для проектируемых в настоящее время установок в России и в мире.
Личный вклад автора в представленную работу выразился:
в непосредственном творческом участии в разработке и внедрении методов и систем диагностики разряда мощных емкостных накопителей энергии лазерных установок;
в проведении с участием измерительных средств пуско-наладочных работ системы импульсного питания и исследований, направленных на получение проектных технических характеристик;
в поддержании в рабочем состоянии в течение 10 лет емкостного накопителя энергии установки ИСКРА-5 с помощью анализа экспериментальных данных и оперативного определения отказов высоковольтных элементов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 5-й Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, г.Ленинград, 1990 г., международных конференциях IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Albuquerque, USA 1995, IEEE Intern.Conf."Beams-96" Prague, Chesh Resp. 1996, научных семинарах ВНИИЭФ.
По результатам исследований получено авторское свидетельство на изобретение, выпущено 19 научно-исследовательских отчетов ВНИИЭФ, опубликовано 3 статьи.
Из представленных в диссертации результатов автор выносит на защиту следующие положения: 1. Исследования физических параметров переходных процессов в разрядных контурах высоковольтных
ячеек, позволившие на основе измерения характерных интервалов времени разработать и внедрить новый метод импульсной диагностики разряда на нагрузку мощного емкостного накопителя энергии.
-
Создание комплекса многоканальной аппаратуры, обеспечивающего измерение 5000 временных интервалов в диапазоне 50нс-50мкс с погрешностью не более 2%, что позволило оперативно получать информацию о работоспособности основных систем накачки установки ИСКРА-5 в условиях сильных электромагнитных помех.
-
Исследования изменений в процессе наработки времен срабатывания высоковольтных элементов, позволившие разработать методы обнаружения отказов ячеек емкостного накопителя энергии с помощью сравнения экспериментальных результатов измерений с их номинальными значениями.
-
Результаты диагностирования работоспособности разрядников и источников накачки в течение эксплуатации лазерной установки, позволившие обеспечить надежную работу мощного емкостного накопителя энергии, собранного на отечественной элементной базе.
-
Исследования влияния отказов источников накачки на задержку формирования и энергию лазерного импульса, позволившие выработать меры для их устранения и улучшить выходные параметры многоканальной лазерной установки.
Объем и структура.
Диссертация состоит из введения, трех глав и
заключения, изложенных на 190 страницах. Диссертация содержит 118 рисунков, 8 таблиц и 8 страниц списка литературы, включающего 137 наименований работ.
