O conceito de dois novos

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18176 (2022) Citar este artigo

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Este manuscrito apresenta o conceito, princípio físico de operação e estudos sobre um novo e exclusivo fusível formador de dois estágios (TSFF) com comutação de centelhador entre estágios e apresenta sua aplicação para formação de pulsos de alta potência de parâmetros extremos. O artigo classifica o desempenho do TSFF e o compara com fusíveis convencionais de formação de estágio único. As conclusões são apoiadas por estudos analíticos e experimentais em condições de laboratório. O projeto do protótipo TSFF, bem como os métodos de medição e bancadas de teste aplicados também são apresentados. A tecnologia desenvolvida do TSFF permite alcançar parâmetros sem precedentes de pulsos de alta potência com sobretensões atingindo 800 kV e potência de pulso de dezenas de GW em um design muito compacto. As propriedades únicas do TSFF permitem sua integração eficiente com uma ampla gama de fontes de energia, mesmo com inclinação de aumento de corrente muito limitada ou tensão de saída limitada, o que não foi possível até agora com fusíveis convencionais de formação de estágio único. O sistema proposto pode ser facilmente dimensionado, garantindo ao mesmo tempo 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 (na ordem de centenas de kA) ou tensão (na 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 anti-drones7,8, sistemas militares9 etc.). As aplicações de fontes de pulso de alta potência geralmente exigem um formato compacto10 para fins de transporte11 ou para permitir a instalação em um invólucro pequeno (por exemplo, no corpo do míssil). A geração direta de pulsos de parâmetros tão extremos com a utilização de um único estágio gerador é impossível na prática, devido a dificuldades técnicas significativas (resultantes de tensões elétricas de alta tensão ou eletrodinâmicas e térmicas). 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 por meio de sistemas em cascata (conforme mostrado na Fig. 1) em que cada estágio sucessivo provoca um aumento relativo na potência de pico do pulso enquanto reduz sua duração12.

Diagrama de blocos do sistema de geração e formação em 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 de formação especiais17,18, por exemplo, na topologia Blumlein19,20. No caso de 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 pela 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 de limitação dinâmica da corrente que flui na bobina indutiva de conformação pela chave de abertura extremamente rápida que gera sobretensões significativas transmitidas à carga do sistema. O elemento de comutação mais frequentemente utilizado é um fusível formador (FF)26,27,28, cujo princípio de funcionamento é baseado na rápida desintegração de elementos fusíveis (na maioria das vezes feitos na forma de um feixe de fios bem condutores ou tiras de folha metálica ) devido ao fluxo de correntes de alta densidade29. Uma classificação detalhada, introdução à tecnologia e lista de parâmetros exemplares de formação de fusíveis com a finalidade de gerar pulsos de alta potência (levando em consideração várias fontes primárias e sistemas de geração de pulsos) foram apresentadas na Ref.30.