ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, предназначено для получения мощных коротких импульсов с напряжением до нескольких мегавольт, током в десятки и более килоампер, длительностью 10 100 нс и может быть использовано для питания сильноточных наносекундных ускорителей заряженных частиц, мощных импульсных газовых лазеров, генераторов импульсного рентгеновского излучен я и других сильноточных электрофизических устройств.

Известны генераторы импульсов высокого напряжения, собранные по схеме Аркадьева-Маркса (Смирнов С.М. Терентьев П.В. Генераторы импульсов высокого напряжения М-Л. Энергия, 1964, 240 с.).

Недостаток этих конденсаторов состоит в большой индуктивности разрядного контура, которая складывается из индуктивности большого количества конденсаторов, разрядников и соединительных шин. Это обстоятельство не позволяет быстро, в виде короткого импульса длительностью в десятки наноседунд, выводить запасенную энергию в нагрузку, что ограничивает выходную мощность таких устройств.

Наиболее близким к изобретению является генератор импульсов высокого напряжения (авт. св. N 731530, кл. Н 0З К 3/53, БИ N 16, 1980) накопительные конденсаторы, разрядники, нагрузку и две зарядные ветви, одна из которых выполнена в виде цепочки из последовательно соединенных диодов и работает следующим образом. От источника зарядного напряжения отрицательной полярности (для направления включения диодов, приведенного в описании) происходит заряд конденсаторов. При этом полярность напряжения на конденсаторах такова, что при включении разрядников диоды запираются обратным напряжением и последовательно соединенные конденсаторы разряжаются на нагрузку, формируя на ней импульс высокого напряжения.

Недостаток известного устройства состоит в невысокой выходной мощности импульса из-за большой величины индуктивности элементов разрядного контура, которая увеличивает минимально возможное время передачи энергии в нагрузку.

Технической задачей данного изобретения является уменьшение длительности импульса и повышение мощности в нагрузке.

Техническая задача достигается тем, что в генераторе импульсов высокого напряжения, собранном по схеме Аркадьева-Маркса, содержащем накопительные конденсаторы, разрядники, нагрузку и две зарядные ветви, одна из которых выполнена из резисторов, а вторая в виде цепочки из последовательно соединенных диодов, емкость накопительных конденсаторов С и индиуктивность L каждого каскада связаны соотношением
2π(LC)^1/2≃ (0,1-0,5)τ_р,
где τ_р время жизни дырок в n-базе диодов, при этом в генератор параллельно диодной ветви введена вторая зарядная ветвь из резисторов.

В данном устройстве взаимосвязь параметров L и С генератора с временем жизни дырок τ_р в n-базе диодов приводит к достижению поставленной задачи следующим образом. После включения разрядников генератора по диодам начинает протекать синусоидальный прямой ток (полярность зарядного напряжения противоположна полярности зарядного напряжения прототипа), амплитуда и длительность которого определяются параметрами L, С и U _зар. Поскольку длительность импульса прямого тока меньше времени жизни дырок τ_р, то после окончания импульса прямого тока диода не восстанавливают своих запирающих свойств, и по ним начинает протекать нарастающий обратный ток. При выполнении вышеприведенного соотношения диоды восстанавливают свои запирающие свойства в момент времени, когда величина обратного тока по ним близка к максимальному значению, что соответствует переходу энергии из конденсаторов С в индуктивности каскадов L. После обрыва тока диодами индуктивности каскадов соединяются последовательно, перенапряжения, возникающие на них и на диодах, суммируются, и импульс напряжения прикладывается к нагрузке. При этом индуктивности каскадов из пассивных элементов, которые в прототипе препятствуют быстрому выводу энергии из конденсаторов в нагрузку, становятся активными и работают как индуктивные накопители, энергия из которых в нагрузку передается за существенно меньший промежуток времени, что и приводит к повышению мощности импульса в нагрузке.

На фиг.1 приведена схема генератора; на фиг. 2a эпюры тока и напряжениям поясняющие работу устройства; на фиг.2б осциллограммы импульсов на нагрузке устройства.

Генератор содержит (фиг. 1) накопительные конденсаторы 1, разрядники 2 нагрузку 3, зарядную ветвь из резисторов 4, цепочку из последовательно соединенных диодов 5 и зарядную ветвь из резисторов 6. Индуктивности каскадов 7 могут представлять собой как индуктивности элементов каскада (разрядников, конденсаторов, соединенных шин), так и дополнительно введенные индуктивности для выполнения вышеприведенного соотношения. Индуктивность 8 представляет собой индуктивность присоединения генератора к нагрузке.

Генератор работает следующим образом.

От источника зарядного напряжения положительной полярности через резисторы 4 и 6 заряжаются накопительные конденсаторы 1. После подачи импульса запуска на нижний разрядник 2 происходит срабатывание всех разрядников генератора, и в каждом каскаде по диодам начинает протекать прямой ток синусоидальной формы (фиг. 2а, кривая 1). Напряжение на нагрузке при этом отсутствует, поскольку генератор зашунтирован диодами 5, находящимися в проводящем состоянии. Поскольку длительность импульса прямого тока меньше времени жизни дырок τ_р, диоды не успевают восстановить свои запирающие свойства, и после импульса прямого тока по ним начинает протекать нарастающий синусоидальный обратный ток. При выполнении вышеприведенного соотношения, связывающего параметры С, L и τ_р диоды восстанавливают свои запирающие свойства в момент времени t₂, когда обратный ток близок к своему максимальному значению. К этому времени энергия из накопительных конденсаторов переводится в индуктивности L каскадов генератора. Последующий обрыв тока в диодах за время t₃ t₂, которое в несколько раз меньше времени t₂ t₁, приводит к возникновению на индуктивностях каскадов L и диодах перенапряжений, которые суммируясь в каскадах генератора, прикладываются к нагрузке, формируя на ней мощный короткий импульс (фиг. 2а, кривая 2). Энергия из индуктивностей L каскадов выводится в нагрузку R c характерным временем NL/R (N число каскадов генератора), которое для прототипа является характерным временем нарастания импульса напряжения на нагрузке. При этом усиление мощности по сравнению с прототипом пропорционально величине n², где n V_L/V_C коэффициент перенапряжения, равный отношению максимальных напряжений на нагрузке при выводе энергии из индуктивностей каскадов L и накопительных конденсаторов С.

В качестве конкретного примера реализации генератора ниже приводятся результаты одного из экспериментов. Генератор содержал N 3 каскада умножения напряжения на конденсаторах ИК-100-0,4 (100 кВ, 0,4 мкф). Зарядное напряжение до 50 кВ, напряжение холостого хода до 150 кВ, запасаемая энергия до 1,5 кДж. Нагрузка генератора имела сопротивление около 100 Ом. Разрядная емкость генератора C 0,133 мкф. Диодная ветвь была собрана из выпрямительных высоковольтных столбов СДЛ 0,4-1300 с обратным напряжением 130 кВ и средним током 0,4 А каждый. Диодная ветвь содержала 64 таких диода: 4 последовательно и 16 параллельно. Обратное рабочее напряжение диодной ветви 520 кВ. Экспериментально определенное для этих диодов время жизни дырок составило 10 + 3 мкс. Оптимальное значение индуктивности разрядного контура составило L≃ 2,4 мкГн, что соответствует величине 2π(LC)^1/2≃ 3,6 мкс и K^опт≃ 0,36.. Время t₁ t₀ составило 1,8 мкс, t₂-t₁≃ 0,8-0,9 мкс, и обрыв обратного тока происходил за время t₃-t_ε 60-80 нс. Ток по диодной ветви в прямом направлении достигал 25 кА, в обратном 20 кА.

На фиг. 2б приведены две осциллограммы импульса напряжения на нагрузке 100 Ом. При зарядном напряжении 35 кВ в схеме прототипа получен импульс напряжения с амплитудой ≃ 100 кВ и постоянной времени разряда ≃ 13 мкс (кривая V_с). В схеме данного генератора амплитуда импульса достигала 300 кВ, а импульс имел длительность по основанию ≃ 100 нс (кривая V_L). Коэффициент перенапряжения был около 3, а мощность в нагрузке была увеличена в 9 раз. Аналогичные эксперименты проводились и с другими типами диодов, где также было получено увеличение мощности в нагрузке в 8 10 раз.

Использование: для питания сильноточных наносекундных ускорителей заряженных частиц, мощных импульсных газовых лазеров, генераторов импульсного рентгеновского излучения. Сущность изобретения: генератор импульсов высокого напряжения выполнен по схеме Аркадьева-Маркса и содержит накопительные конденсаторы 1, разрядники 2, нагрузку 3, зарядные ветви из разисторов 4 и 6, цепочку из последовательно соединенных диодов 9, индуктивности каскадов 7 и индуктивность 8. Емкость накопительных конденсаторов и индуктивности каждого каскада генератора связаны соотношениями 2π(LC)^1/2≃ (0,1-0,5)τ_р, где τ_р - время жизни дырок в n-базе диодов. 2 ил. 1

Генератор импульсов высокого напряжения, собранный по схеме Аркадьева - Маркса, содержащий накопительные конденсаторы, разрядники, нагрузку и две зарядные ветви, одна из которых выполнена из резисторов, а вторая в виде цепочки из последовательно соединенных диодов, отличающийся тем, что емкость накопительных конденсаторов С и индуктивность каждого каскада L связаны соотношением
2π(LC)^1/2 ≃ (0,1-0,5)τ_р,
где τ_р- время жизни дырок в n-базе диодов,
при этом в генератор параллельно диодной ветви введена вторая зарядная ветвь из резисторов.