ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1994 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к генераторам мощных высоковольтных импульсов с использованием электровзрывающихся проводников и разрядных приборов, и может быть использовано для рентгенографии быстрых процессов в радиационных исследованиях, для накачки лазеров, в искровых камерах, СВЧ-технике и т. п.

Известен генератор высоковольтных импульсов (авт. св. СССР N 900788, кл. H 03 K 3/53), содержащий накопитель электромагнитной энергии, индуктивность, разрядники и электровзрывающиеся проводники, каждый из которых выполнен из последовательных ступеней различного сечения, длины и количества параллельных проводников в каждой ступени. Однако данный генератор из-за нежелательного влияния последовательных ступеней друг на друга не работоспособен при необходимости получения импульсов большой мощности при токах в сотни килоампер.

Известен высоковольтный генератор (авт. св. СССР N 535725, кл. H 03 K 3/53), содержащий n последовательных каскадов, каждый из которых состоит из индуктивности, разрядника и электровзрывающегося проводника (ЭВП), причем каждый предыдущий каскад является зарядный для последующего. Недостатком такого генератора является низкая выходная мощность.

В качестве прототипа выбран генератор двойных импульсов (J. Applied Physics 53(4), April, 1982, с. 2818-2824). Он состоит из серии последовательных каскадов, каждый из которых содержит индуктивность, разрядник и электровзрывающийся проводник. Роль индуктивности играет паразитная индуктивность соединительного провода между разрядниками. Однако в данном генераторе добавление в каждом каскаде индуктивности и разрядника ведет к потерям тока, а следовательно, энергии и мощности. Так при работе рассматриваемой схемы импульс проходит последовательно во времени все каскады, усиливаясь по амплитуде напряжения и уменьшаясь по амплитуде тока. Два импульса в нагрузке получаются при ее подсоединении сначала к выходу второго, а затем к выходу четвертого каскадов. Это приводит к ограничению эксплуатационных возможностей генератора.

На фиг. 1 приведена электрическая схема генератора; на фиг. 2 - временная диаграмма распределения тока и импульсов напряжения в элементах электрической цепи генератора; на фиг. 3 - схема двухимпульсного высоковольтного генератора на электрически взрывающихся проводниках.

Генератор высоковольтных импульсов содержит последовательно соединенные первичный накопитель электрической или магнитной энергии 1, накопительную индуктивность 2 и многоэлектродный разрядник 3. Кроме того, генератор имеет электрически взрывающиеся проводники (ЭВП) 4-6, каждый из которых подсоединен к отдельному электроду многоэлектродного разрядника 3. Зазор 7 - между общим электродом и электродом, соединенным с нагрузкой 10, зазор 8 - между общим электродом и электродом, соединенным с ЭВП 6, зазор 9 - между общим электродом и электродом, соединенным с ЭВП 5. К одному из электродов подключена нагрузка 10. Электрод, подключенный к накопительной индуктивности 2, является общим электродом разрядника 3, потенциал которого равен потенциалу точки А - места подсоединения к нему ЭВП 4 и шины от накопительной индуктивности.

Разрядник 3 может быть как управляемым, так и не управляемым. Каналы управляемого разрядника имеют одинаковую длину. Длины каналов неуправляемого разрядника выбираются из условия зазор 7 < зазора 8 < зазора 9 и т. д.

Схема работает следующим образом.

При срабатывании первичного накопителя энергии 1 через индуктивность 2 и ЭВП 4 течет ток (см. фиг. 2, а), он нагревает, расплавляет и взрывает ЭВП 4. При взрыве в точке А формируется импульс напряжения (см. фиг. 2, б), в момент времени t₁, пробивается зазор 7 многоэлектродного разрядника 3 и параллельно ЭВП 4 подключается нагрузка 10. За время (t₁' - t₁) амплитуда напряжения достигает U_max и в момент времени t₁' пробивается зазор 8. Так как начальное сопротивление ЭВП выбирается много меньшим сопротивления нагрузки 10, весь ток замыкается через ЭВП 6 и разряд в зазоре 7 затухает. ЭПВ 6 нагревается и взрывается аналогично ЭВП 4, и в момент времени t₃ при амплитуде напряжения в точке А равной 0,8 U_max пробивается снова зазор 7. За время (t₃' - t₃) амплитуда напряжения достигает U_max, затем пробивается зазор 9, ток из нагрузки перебрасывается в ЭВП 5 и разряд в зазоре 7 затухает. Аналогично генерируется третий импульс серии. Временная диаграмма импульсов напряжения на нагрузке 10 представлена на фиг. 2, в. Все взорвавшиеся ЭВП не оказывают влияния на взрыв последующих ЭВП, так как сохраняют большое сопротивление до окончания работы генератора.

В мегавольтных разрядных контурах способ подсоединения нагрузки, примененный в прототипе, приводит к существенному увеличению индуктивности подсоединения, т. е. к снижению амплитуды тока, а следовательно, уменьшению выходной мощности.

Целью изобретения является увеличение выходной мощности генератора.

Это достигается тем, что в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем накопитель электрической энергии, индуктивность, разрядное устройство и электровзрывающиеся проводники (ЭВП), разрядное устройство выполнено в виде многоэлектродного разрядника, к одному из электродов которого подключена нагрузка, а к остальным подсоединены электрически взрывающиеся проводники с начальным сопротивлением каждого, много меньшим сопротивления нагрузки, причем к одному из них параллельно ЭВП подключены последовательно соединенные накопительная индуктивность и первичный накопитель энергии.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается тем, что разрядное устройство выполнено в виде многоэлектродного разрядника и отличается его связями с остальными элементами схемы. Таким образом, оно соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями, содержащими разрядное устройство, накопитель электрической энергии, индуктивность, электровзрывающиеся проводники, показало, что при введении разрядного устройства в виде многоэлектродного разрядника в указанной связи с остальными элементами схемы в предложенное устройство проявляются новые свойства, а именно выдается серия мощных импульсов, регулируемых по форме и длительности в широких пределах, что нельзя получить известными устройствами. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Достижимость положительного эффекта обусловлена тем, что удалось добиться формирования импульсов серии в одном месте и коммутации их через один разрядник в нагрузку.

Из временной диаграммы видно, что для работы генератора необходимо, чтобы длительность тока через накопительную индуктивность была много больше длительности импульса напряжения на нагрузке.

В качестве примера (см. фиг. 3) приведена схема двухимпульсного высоковольтного генератора, где Р - разрядники ГИН; R - балластные сопротивления; С - конденсаторы, емкостной накопитель энергии - четырехступенчатый генератор Аркадьева-Маркса на конденсаторах (С) ИМ-30-3 с ударной емкостью 1,5 мкФ, волновым сопротивлением разрядного контура 4,9 Ом и запасаемой энергией 44 кДж. Многоэлектродный разрядник состоит из трех медных шаров диаметром 15 см. Нагрузкой служит вакуумный диод на рабочее напряжение до 500 кВ.

При электровзрыве проводников длиной 3 м на диоде получено два импульса напряжения амплитудой 450 кВ каждый и мощностью ≈10¹⁰ Вт.

Применение данного генератора на действующих ускорителях типа ИГУР позволило в режиме двойного импульса увеличить электрическую мощность в нагрузке с 2˙10¹⁰ до 10¹¹ Вт. Изменяя диаметр ЭВП при постоянном суммарном сечении в каскаде, можно изменять длительность импульса в пределах 0,1 . . . 0,5 мкс.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает увеличение электрической мощности, расширение возможности регулировки амплитуд напряжения и длительностей отдельных импульсов в серии. (56) J. Applied Physics 53(4), April, 1982, р. 2818-2824.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к генераторам мощных высоковольтных импульсов с использованием электровзрывающихся проводников и разрядных приборов, и может быть использовано для рентгенографии быстрых процессов в радиационных исследованиях, для накачки лазеров, в искровых камерах СВЧ - технике. Генератор высоковольтных импульсов содержит накопитель электрической или магнитной энергии, накопительную индуктивность 2, многоэлектродный разрядник 3, n электрически взрываемых проводников 4-6 и нагрузку 10. 3 ил.

ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ , содеpжащий накопитель электpической энеpгии, индуктивность, pазpядное устpойство и электpически взpываемые пpоводники, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности генеpатоpа за счет повышения амплитуды импульса тока, pазpядное устpойство выполнено в виде многоэлектpодного pазpядника, к одному из электpодов котоpого подключена нагpузка, а к остальным подсоединены электpически взpываемые пpоводники с начальным сопpотивлением каждого, много меньшим сопpотивления нагpузки, пpичем к одному из них паpаллельно подключены последовательно соединенные накопительная индуктивность и накопитель электpической энеpгии, пpи этом зазоp i-го канала многоэлектpодного pазpядника больше зазоpа (i - 1)-го канала, но меньше (i + 1)-го канала.