O conceito de um novo dois

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18176 (2022) Citar este artigo

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Este manuscrito apresenta o conceito, princípio operacional físico e estudos sobre um novo e exclusivo fusível formador de dois estágios (TSFF) com comutação de centelhador interestágio e apresenta sua aplicação para formar pulsos de alta potência de parâmetros extremos. O artigo classifica o desempenho do TSFF e o compara com os fusíveis convencionais de estágio único. As conclusões são suportadas por estudos analíticos e experimentais em condições de laboratório. O projeto do protótipo TSFF, bem como os métodos de medição aplicados e as bancadas de teste também são apresentados. A tecnologia desenvolvida do TSFF permite atingir parâmetros inéditos de pulsos de alta potência com sobretensões chegando a 800 kV e potência de pulso de dezenas de GW em um design bastante compacto. As propriedades exclusivas do TSFF permitem sua integração eficiente com uma ampla gama de fontes de energia, mesmo com aumento de corrente muito limitado ou tensão de saída limitada, o que não era possível até agora com os fusíveis convencionais de estágio único. O sistema proposto pode ser facilmente dimensionado, garantindo uma flexibilidade muito maior de aplicações.

Em muitos campos da ciência e da engenharia, existe a necessidade de gerar pulsos elétricos de alta potência com amplitude significativa de corrente (da ordem de centenas de kA) ou tensão (da ordem de centenas de kV) e duração de frações de microssegundos1 . Esses pulsos são usados, por exemplo, para emular processos físicos com parâmetros extremos em condições de laboratório (geradores de surtos atmosféricos de tensão ou corrente2,3, sistemas de pesquisa para plasma ou física nuclear, por exemplo, geradores de plasma X-pinch) ou como pulsos que fornecem fontes de radiação eletromagnética de alta potência, geralmente para sistemas de radar4, fontes de laser pulsado5 ou sistemas de energia direcionada6 (sistemas de combate a drones7,8, sistemas militares9 etc.). As aplicações de fontes de pulso de alta potência geralmente requerem uma forma compacta10 para fins de transporte11 ou para permitir a instalação em um pequeno alojamento (por exemplo, no corpo do míssil). A geração direta de pulsos de tais parâmetros extremos com o uso de um único estágio de geração é impossível na prática, devido a dificuldades técnicas significativas (resultantes de tensões elétricas ou eletrodinâmicas e térmicas de alta tensão). Ao mesmo tempo, fontes de pulso individuais não fornecem parâmetros de pulso apropriados (em termos de amplitude insuficiente ou duração de pulso muito longa). Portanto, em sistemas reais, a geração de pulsos de alta potência é realizada indiretamente usando sistemas em cascata (como mostrado na Fig. 1) em que cada estágio sucessivo causa um aumento relativo na potência de pico do pulso enquanto reduz sua duração12.

Diagrama de blocos do sistema de geração e formação de cascata de pulsos de alta potência.

As soluções de circuitos de geração e formação de pulsos de alta potência podem ser divididas em sistemas do tipo corrente e tensão, dependendo da natureza do pulso gerado. Soluções típicas de sistemas de tensão são geradores Marx13,14,15,16 ou outros tipos de sistemas multiplicadores de tensão, muitas vezes integrados com linhas formadoras especiais17,18, por exemplo, na topologia Blumlein19,20. No caso dos geradores do tipo corrente, a solução mais utilizada é o gerador de compressão de fluxo magnético (FCG)21,22, que multiplica o valor da corrente por compressão explosiva do fluxo magnético acoplado ao enrolamento do gerador23,24,25. O pulso de saída de corrente do FCG é moldado em um sistema de formação de pulso (PFS) para adaptar seus parâmetros aos requisitos de carga. A Figura 2 mostra o diagrama do conceito operacional de um PFS baseado em fusível alimentado pelo banco de capacitores. O processo de conformação baseia-se no fenômeno da limitação dinâmica da corrente que circula na bobina indutiva formadora pela chave de abertura extremamente rápida que gera sobretensões significativas transmitidas à carga do sistema. O elemento de comutação usado com mais frequência é um fusível de formação (FF)26,27,28, cujo princípio operacional é baseado na rápida desintegração de elementos fusíveis (na maioria das vezes feito na forma de um feixe de fios condutores ou tiras de folha ) devido ao fluxo de correntes de alta densidade29. Uma classificação detalhada, introdução à tecnologia e lista de parâmetros exemplares de fusíveis de formação com a finalidade de gerar pulsos de alta potência (levando em consideração várias fontes primárias e sistemas de geração de pulso) foram apresentados na Ref.30.