ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H03K3/00 H05K7/02 H05G1/24 

Генераторы импульсов напряжения используются в импульсной высоковольтной технике, например, в составе импульсных рентгеновских аппаратов и малогабаритных ускорителей прямого действия.

С помощью заявляемого генератора решается задача создания малогабаритного ускорителя, который может применяться как источник импульсов электронного и рентгеновского излучения в физических исследованиях, дефектроскопии и медицине.

Техническим результатом предложения является снижение габаритов и массы ускорителя, в составе которого работает заявляемый генератор импульсов напряжения. Снижение габаритов и массы импульсного рентгеновского аппарата или ускорителя является актуальной задачей, так как это повышает их транспортабельность, удешевляет, расширяет возможности их применения. Например, это важно для дефектоскопов, применяемых в полевых условиях.

Известна конструкция малогабаритного генератора импульсов высокого напряжения: Месяц Г.А. Насибов А.С. Кремнев В.В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения, М. Энергия, 1970, с. 41, рис. 2-4. Генератор выполнен по каскадной схеме Маркса. Каскад состоит из высоковольтных конденсаторов и разрядника, расположенных по одной оси, которая является осью других каскадов и всего генератора. Зарядка осуществляется через зарядные сопротивления. Выходное напряжение генератора подается на рентгеновскую трубку. Особенностью компоновки генератора является последовательное расположение вдоль одной оси конденсаторов и разрядника одного каскада, а также последовательное вдоль той же оси размещение каскадов, что приводит к большой длине генератора и его корпуса.

Прототипом заявляемого является генератор импульсов высокого напряжения, описанный в статье Белкина Н.В. Кульгавчука В.В. Павловской Н.Г. Тараканова М. Ю. Цукермана В.А. Эльяш С.Л. Малогабаритный наносекундный ускоритель электронов на 600 кВ, ПТЭ, N 5, 1977, с. 36.38, рис. 1. Описанный в статье генератор импульсов напряжения содержит несколько каскадов с двумя конденсаторами и разрядником высокого давления в каждом каскаде. Элементы каскадов генератора крепятся в плоской вертикальной стойке из оргстекла друг над другом, оси конденсаторов параллельны между собой и перпендикулярны стойке, а оси разрядников расположены под углом -45^o к плоскостям осей конденсаторов в каскадах, и плоскость осей разрядников параллельна стойке. Зарядка генератора осуществляется от импульсного трансформатора через зарядные индуктивности. Нагрузкой является ускорительная трубка источник электронного излучения. Импульсный трансформатор, генератор импульсов высокого напряжения, ускорительная трубка помещены в общий герметичный металлический корпус, заполненный трансформаторным маслом, это высоковольтный блок ускорителя.

Недостатками прототипа являются недостаточно малые габариты и масса высоковольтного блока. Это вызвано такой компоновкой элементов генератора импульсов высокого напряжения, при которой емкость в каскаде разделена на две части, разнесенные в пространстве, а разрядники расположены под углом -45^o к плоскостям осей конденсаторов в каскадах, сто не дает сблизить эти плоскости соседних каскадов. В результате длина высоковольтного блока по прототипу и его поперечные размеры оказываются больше, чем в заявляемом генераторе, а масса заливаемого в корпус высоковольтного блока масла примерно в полтора раза больше.

Указанные недостатки устраняются тем, что по сравнению с прототипом, содержащим несколько каскадов с конденсаторами и разрядником, новым является то, что в каждом каскаде конденсаторы собраны в пакет, ось разрядника параллельна оси пакета конденсаторов. Оси всех пакетов конденсаторов расположены в одной плоскости, а оси всех разрядников в другой плоскости, параллельной плоскости осей пакетов, причем расстояния от оси любого пакета конденсаторов до осей соседних разрядников, электрически соединенных с ним, равны.

В заявляемом генераторе импульсов напряжения емкость в каскаде представляет собой плотно собранный из нескольких последовательно соединенных конденсаторов пакет, а разрядник этого каскада располагается параллельно ему и максимально близко к нему, причем расстояние выбирается из соображений электропрочности диэлектрической среды. Таким образом собирается очень компактный каскад. Соседние каскады, расположенные в параллельных плоскостях, максимально сближены, насколько позволяет электропрочность среды, это позволяет уменьшить длину генератора до минимума.

Плоскость осей пакетов конденсаторов и параллельная ей плоскость осей разрядников расположены на минимально возможном расстоянии друг от друга. Это достигается при заданных расстояниях между элементами внутри каскада и между каскадами таким расположением пакетов конденсаторов и разрядников, что все токопроводящие шины, соединяющие соседние элементы генератора, имеют равную длину. Это позволяет уменьшить поперечные размеры заявляемого генератора. Таким образом, диаметр и длина корпуса высоковольтного блока, основу которого составляет генератор импульсов напряжения, уменьшаются по сравнению с прототипом, и, как следствие, уменьшается масса жидкого диэлектрика, заливаемого в корпус высоковольтного блока.

На фиг. 1 изображен заявляемый генератор импульсов напряжения; на фиг. 2 один каскад заявляемого генератора импульсов напряжения.

Генератор импульсов напряжения содержит несколько каскадов 1 с конденсаторами 2 и разрядником 3 в каждом каскаде. В каждом каскаде 1 конденсаторы 2 собраны в пакет 4, ось разрядника 3 параллельна оси пакета 4 конденсаторов 2. Оси всех пакетов 4 конденсаторов 3 расположены в одной плоскости 5, а оси всех разрядников 3 в другой плоскости 6, параллельной плоскости 5 осей пакетов 4. Расстояния от оси любого пакета 4 конденсаторов 2 до осей соседних разрядников 3, электрически соединенных с ним, равны. Пакеты 4 конденсаторов 2 соединены с разрядниками 3 токопроводящими шинами 7 равной длины.

Кроме того, генератор содержит зарядные индуктивности 8, импульсный трансформатор 9 и нагрузку (например, рентгеновскую трубку) 10. Все элементы генератора импульсов напряжения, импульсный трансформатор 9 и нагрузка 10 располагаются в корпусе 11, заполненном жидким диэлектриком.

Заявляемый генератор используется в составе малогабаритного импульсного ускорителя источника рентгеновского или электронного излучения. Конденсаторы К-15-10 (3300 пФ, 31,5 кВ), собранные в плотные пакеты из 5 штук, и разрядник Р-49 образуют очень компактный каскад. Зарядные индуктивности выполнены в виде двух столбов, расположенных вдоль стоек из оргстекла, к которым крепятся каскады. Расстояние между каскадами, т.е. расстояние между осями разрядников в соседних каскадах, 60 мм. Таким образом, длина десятикаскадного генератора около 600 мм, а высота корпуса высоковольтного блока, куда входят, кроме генератора импульсов, импульсный трансформатор, рентгеновская трубка и компенсатор (устройство для компенсации изменения объема масла при повышении или понижении температуры окружающей среды), составляет около 900 мм. Диаметр корпуса высоковольтного блока 200 мм.

Масса трансформаторного масла, заливаемого в корпус высоковольтного блока, 17,5 кг.

Основные параметры малогабаритного ускорителя, в состав которого входит заявляемый генератор импульсов напряжения: амплитуда импульса выходного напряжения, подаваемого на ускорительную (рентгеновскую или электронную) трубку, 1 МВ, длительность импульса электронного или рентгеновского излучения на полувысоте 10 нс.

Доза излучения на окне рентгеновской трубки 3 Гр/имп. доза электронного излучения на окне электронной трубки 2•10⁴ Гр/имп.

Устройство работает следующим образом. Зарядка генератора импульсов напряжения осуществляется от импульсного трансформатора через зарядные индуктивности. Емкость всех n каскадов заряжаются до напряжения U. В момент пуска аппарата происходит последовательное срабатывание разрядников за счет перенапряжения на их электродах, и все конденсаторы оказываются включенными последовательно. К нагрузке генератора (рентгеновской или электронной трубке) прикладывается суммарное выходное напряжение U_вых.=n•U. Происходит сильноточный пробой трубки, что сопровождается выходом электронного или рентгеновского излучения.

Сравним по техническому результату, то есть по габаритам и массе, два генератора. Первый описанный выше как пример конкретного выполнения заявляемого генератора импульсов напряжения, а второй условный генератор, выполненный из тех же элементов, что и первый, но скомпонованный так, как прототип.

В заявляемом генераторе емкость каждого каскада представляет собой плотно собранный (стянутый между стойками) пакет из пяти конденсаторов, а разрядник этого каскада расположен максимально близко к нему, ось пакета и ось разрядника параллельны. Плоскость осей пакетов конденсаторов и плоскость осей разрядников расположены максимально близко и параллельны, при этом все токоведущие шины, соединяющие пакеты и разрядники, имеют равную длину. Это позволяет уменьшить диаметр корпуса высоковольтного блока до 200 мм. Диаметр высоковольтного блока по прототипу нельзя сделать меньшим, чем 220 мм, из-за того, что емкость в каскаде разделена на две части, занесенные в пространстве. Взаимное расположение каскадов в заявляемом генераторе, а именно друг над другом на расстоянии 60 мм, таково, что позволяет уменьшить его длину до 600 мм. В прототипе из-за взаимного расположения в каскаде конденсаторов и разрядника нельзя сблизить каскады более, чем до 90 мм между ними. Тогда длина генератора по прототипу 900 мм. Длина корпуса высоковольтного блока с заявляемым генератором 900 мм, а с прототипом 1250 мм. Масса заливаемого в корпус масла: для заявляемого генератора 17,5 кг, а для прототипа 27,5 кг, что в полтора раза больше.

таким образом, заявляемый генератор импульсов напряжения дает выигрыш в габаритах и весе высоковольтного блока ускорителя.

Изобретение относится к импульсной высоковольтной технике и может быть использовано в составе импульсных рентгеновских аппаратов и малогабаритных ускорителей прямого действия. Генератор импульсов напряжения, собранный по схеме Маркса, содержит несколько каскадов с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде. Конденсаторы в каскаде собраны в пакет, ось разрядника параллельна оси пакета конденсаторов. Оси всех пакетов конденсаторов расположены в одной плоскости, а оси всех разрядников в другой плоскости, параллельной плоскости осей пакетов. Эти плоскости максимально приближены друг к другу, что достигается таким взаимным расположением элементов генератора, при котором расстояния от оси любого пакета конденсаторов до осей соседних разрядников, электрически соединенных с ним, равны. Такая компоновка генератора приводит к уменьшению габаритов высоковольтного блока ускорителя и, как следствие, к уменьшению в полтора раза массы заливаемого в него жидкого диэлектрика. 2 ил.

Генератор импульсов напряжения, содержащий несколько каскадов с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, отличающийся тем, что в каждом каскаде конденсаторы собраны в пакет, ось разрядника параллельна оси пакета конденсаторов, оси всех пакетов конденсаторов расположены в одной плоскости, а оси всех разрядников в другой плоскости, параллельной плоскости осей пакетов, причем расстояния от оси любого пакета конденсаторов для осей соседних разрядников, электрически соединенных с ним, равны.