[论文解读] HADES: a High Amperage Driver for Extreme States

P.-A. Gourdain, Matthew Evans+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Pulsed Power Technology Applications参考文献 15被引用 12

一句话总结

HADES 是一种紧凑型、大电流脉冲功率驱动器，旨在向 20 nH 负载提供 1 MA 电流，上升时间为 150 ns，峰值功率达 250 GW。它采用一种新型紧凑型传输线结构，可高效实现线性变压器驱动器（LTD）的串并联集成，将占地面积缩小至 5 m² 以下，高度低于 1.6 m，显著小于其他 1 MA LTD 系统。

ABSTRACT

Linear transformer drivers (LTD) allow to greatly reduce the size of pulsed-power drivers while increasing their efficiency and repetition rate. However, limitations on the capacitors voltage and current exist, mostly driven by technological imperatives. As a result, LTD required to be connected in series and in parallel to form a practical pulsed-power generator. The High Amperage Driver for Extreme States (HADES) proposed here can generate 250 GW of power, i.e. a 1 MA on current with a rise time of 150 ns into a 20nH load. The key feature of the driver is its size. The machine footprint is less than 5m2 and its height is less than 1.6m. This reduction in footprint, compared to other 1 MA LTD based-systems, comes from a compact transmission line geometry which allow to connect LTDs is series and in parallel efficiently. This paper summarizes this design and describes HADES operation and maintenance.

研究动机与目标

• 开发一种高电流脉冲功率驱动器，能够在 150 ns 上升时间内向 20 nH 负载提供 1 MA 电流。
• 通过减小占地面积和高度，解决现有线性变压器驱动器（LTD）系统在尺寸和可扩展性方面的局限性。
• 为极端状态研究（如惯性约束聚变和动态压缩下的材料科学）提供高重复频率、高效能的脉冲功率生成能力。
• 通过优化 LTD 配置并结合紧凑型传输线设计，突破电容器电压和电流额定值的技术限制。

提出的方法

• 采用紧凑型传输线结构，实现多个 LTD 模块的高效串并联连接。
• 将 LTD 模块集成到模块化、可扩展的架构中，保持高功率密度和电气效率。
• 通过在 20 nH 电感负载上实现 1 MA 电流和 150 ns 上升时间，使系统峰值功率达到 250 GW。
• 通过创新的空间布局和组件集成，将物理占地面积控制在 5 m² 以下，高度低于 1.6 m。
• 采用先进的绝缘和开关技术，确保在高电流和高电压水平下的可靠运行。
• 实施易于维护的设计，采用模块化组件，便于维护和长期运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧凑型脉冲功率驱动器能否在占地面积小于 5 m² 的条件下，实现 1 MA 电流和 150 ns 上升时间？
• RQ2 如何在串并联连接中优化多个 LTD 模块的集成，以最大化输出功率和系统效率？
• RQ3 哪些设计创新使得其尺寸相比传统 1 MA LTD 系统显著减小？
• RQ4 紧凑型传输线结构在多大程度上提升了大电流脉冲功率系统的可扩展性和可靠性？
• RQ5 HADES 系统如何在极端电应力条件下保持高重复频率和运行稳定性？

主要发现

• HADES 通过在 20 nH 负载上实现 1 MA 电流和 150 ns 上升时间，达到 250 GW 的峰值功率。
• 系统的物理占地面积小于 5 m²，高度低于 1.6 m，与其它 1 MA LTD 基系统相比显著减小。
• 紧凑型传输线结构实现了 LTD 模块的高效串并联集成，提升了功率密度和系统可扩展性。
• 该设计支持高重复频率运行，适用于极端状态研究中的重复实验。
• 通过模块化结构和优化的组件布局，系统展现出更高的效率和可靠性。
• HADES 架构为聚变能源和动态材料研究中的高电流脉冲功率应用提供了实用且可扩展的解决方案。