ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, к высоковольтным импульсным источникам питания для электрофизической аппаратуры, и может быть использовано, например, при создании малогабаритных сильноточных импульсных ускорителей заряженных частиц.

Известны высоковольтные импульсные источники питания, выполненные в виде, расположенного хотя бы частично в замкнутом герметическом корпусе, импульсного трансформатора, первичная обмотка которого является входом источника и расположена на конусной поверхности диэлектрического каркаса, однослойная вторичная обмотка является выходом источника и расположена коаксиально первичной обмотке на цилиндрической поверхности, внутреннее пространство корпуса заполнено диэлектрической средой в виде газа под давлением или трансформаторного масла (Хофман, Трансформатор Тесла как генератор высокого напряжения. Приборы для научных исследований. 1975, N 1, с. 3-7, рис. 4, а также Борисов В. М. и др. Сильноточный ускоритель электронов импульсно-периодического действия, Приборы и техника эксперимента, 1990, N 5, с.162-165, рис. 2).

Недостатком известных технических решений является то, что при расположении однослойной вторичной обмотки на цилиндрической поверхности невозможно увеличение числа витков однослойной вторичной обмотки (т.е. коэффициента трансформации и выходного напряжения) без увеличения в осевом направлении габаритов трансформатора и источника питания в целом. Применение многослойной вторичной намотки невозможно в высоковольтных трансформаторах вследствие пробоев между витками соседних слоев, имеющих разность потенциалов гораздо большую, чем между соседними витками в одном слое обмотки. Это особенно относится к источникам питания, реализуемым при предельно высоких для конкретных диэлектриков напряжениях.

Наиболее близким к предложенному изобретению является высоковольтный импульсный источник питания, включающий расположенный в замкнутом цилиндрическом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом источника питания, однослойная вторичная обмотка, являющаяся выходом источника, размещена коаксиально первичной обмотке на конусной поверхности каркаса из диэлектрического материала, один конец вторичной обмотки соединен с корпусом, другой с высоковольтным электродом, расположенным на оси указанного каркаса, а внутреннее пространство устройства от корпуса до высоковольтного электрода заполнено жидкой диэлектрической средой в виде касторового или трансформаторного масла, в которую погружена и вторичная обмотка трансформатора (журнал Приборы и техника эксперимента, 1976, N 5, с. 18-20, рис. 1.2.).

В прототипе за счет размещения однослойной вторичной обмотки на конусном каркасе расширена возможность увеличения числа ее витков, однако, такая возможность все-таки ограничена длиной направляющей этой конусной поверхности. Увеличение длины направляющей конусной поверхности возможно путем увеличения осевой длины и/или максимального диаметра конусного каркаса, что приводит к росту габаритов трансформатора и высоковольтного источника питания в целом. Т.е. недостатком данного технического решения является невозможность увеличения числа витков вторичной обмотки и выходного напряжения в тех же габаритах источника питания.

Задачей изобретения является увеличение числа витков вторичной обмотки и выходного напряжения импульсного высоковольтного источника питания без увеличения его габаритов и расширение возможностей использования малогабаритных источников питания.

Поставленная задача решена тремя вариантами выполнения изобретения: с использованием только комбинированной изоляции, только твердого диэлектрика, а также сочетанием той и другой диэлектрической среды.

Для решения поставленной задачи по первому варианту в высоковольтном импульсном источнике питания, включающем расположенный в замкнутом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом источника питания, вторичная обмотка трансформатора, являющаяся выходом источника, размещена коаксиально первичной обмотке на конусной поверхности каркаса из диэлектрического материала, один конец вторичной обмотки соединен с корпусом, другой с высоковольтным электродом, расположенным на оси указанного каркаса, вторичная обмотка погружена в жидкий диэлектрик, а остальное пространство между корпусом и высоковольтным электродом также заполнено диэлектрической средой, каркас вторичной обмотки трансформатора снабжен по крайней мере одной дополнительной конусной поверхностью, расположенной коаксиально к имеющейся поверхности, соседние конусные поверхности размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном, на каждой дополнительной конусной поверхности размещена соответствующая часть вторичной обмотки, в качестве диэлектрической среды между корпусом и высоковольтным электродом использована комбинированная изоляция, выполненная в виде чередующихся слоев диэлектрического материала, разделенных жидким диэлектриком, а в качестве жидкого диэлектрика внутри корпуса источника использован диэлектрик, выбранный из ряда глицерин, спирт, дистиллированная вода.

Также между поверхностью высоковольтного электрода и комбинированной изоляцией выполнено пространство, заполненное жидким диэлектриком.

Кроме того, между внутренней поверхностью корпуса источника и комбинированной изоляцией выполнено пространство, заполненное жидким диэлектриком.

Для решения поставленной задачи по второму варианту в высоковольтном импульсном источнике питания, включающем расположенный в замкнутом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом источника питания, вторичная обмотка трансформатора, являющаяся выходом источника, размещена коаксиально первичной обмотке на конусной поверхности каркаса из диэлектрического материала, один конец вторичной обмотки соединен с корпусом, другой с высоковольтным электродом, расположенным на оси указанного каркаса, вторичная обмотка погружена в жидкий диэлектрик, а остальное пространство между корпусом и высоковольтным электродом также заполнено диэлектрической средой, каркас вторичной обмотки трансформатора снабжен по крайней мере одной дополнительной конусной поверхностью, расположенной коаксиально к имеющейся поверхности, соседние конусные поверхности размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном, на каждой дополнительной конусной поверхности размещена соответствующая часть вторичной обмотки, в качестве диэлектрической среды между корпусом и высоковольтным электродом использован твердый диэлектрик, в котором сформировано по крайней мере одно пространство кольцевого сечения, простирающееся от каждой круговой линии сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса до ближайшей к ней торцевой части корпуса, а в качестве жидкого диэлектрика внутри корпуса источника использован диэлектрик, выбранный из ряда глицерин, спирт, дистиллированная вода.

Далее, между поверхностью высоковольтного электрода и твердым диэлектриком выполнено пространство, заполненное жидким диэлектриком.

При этом в твердом диэлектрике выполнено простирающееся от торцевой части высоковольтного электрода до ближайшей к ней торцевой части корпуса источника пространство кольцевого или цилиндрического сечения, заполненное жидким диэлектриком.

Кроме того, в твердом диэлектрике выполнено простирающееся от низковольтного конца вторичной обмотки до ближайшей к нему торцевой части корпуса источника пространство кольцевого сечения, заполненное жидким диэлектриком.

Наконец, между внутренней поверхностью корпуса источника и твердым диэлектриком выполнено пространство, заполненное жидким диэлектриком.

Для решения поставленной задачи по третьему варианту в высоковольтном импульсном источнике питания, включающем расположенный в замкнутом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом источника питания, вторичная обмотка трансформатора, являющаяся выходом источника, размещена коаксиально первичной обмотке на конусной поверхности каркаса из диэлектирческого материала, один конец вторичной обмотки соединен с корпусом, другой с высоковольтным электродом, расположенным на оси указанного каркаса, вторичная обмотка погружена в жидкий диэлектрик, а остальное пространство между корпусом и высоковольтным электродом также заполнено диэлектрической средой, каркас вторичной обмотки трансформатора снабжен по крайней мере одной дополнительной конусной поверхностью, расположенной коаксиально к имеющийся поверхности, соседние конусные поверхности размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном, на каждой дополнительной конусной поверхности размещена соответствующая часть вторичной обмотки, в качестве диэлектрической среды между корпусом и высоковольтным электродом использован частично твердый диэлектрик, частично комбинированная изоляция, выполненная в виде чередующихся слоев диэлектрического материала, разделенных жидким диэлектриком, причем комбинированная изоляция расположена по крайней мере в пространстве, простирающемся от каждой круговой линии сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса вторичной обмотки до ближайшей торцевой части корпуса, а в качестве жидкого диэлектрика внутри корпуса источника использован диэлектрик, выбранный из ряда глицерин, спирт, дистиллированная вода.

Далее, между поверхностью высоковольтного электрода и твердым диэлектриком или комбинированной изоляцией выполнено пространство, заполненное жидким диэлектриком.

При этом в источнике питания выполнено простирающееся от торцевой части высоковольтного электрода до ближайшей к ней торцевой части корпуса источника пространство кольцевого или цилиндрического сечения, заполненное жидким диэлектриком.

Кроме того, в источнике питания выполнено простирающееся от низковольтного конца вторичной обмотки до ближайшей к нему торцевой части корпуса источника пространство кольцевого сечения, заполненное жидким диэлектриком.

Наконец, между внутренней поверхностью корпуса источника и твердым диэлектриком или комбинированной изоляцией выполнено пространство, заполненное жидким диэлектриком.

Выполнение каркаса вторичной обмотки трансформатора с несколькими конусными поверхностями обеспечивает возможность увеличения числа витков расположенной на этих поверхностях обмотки и соответствующее повышение выходного напряжения трансформатора и источника питания. Размещение соседних конусных поверхностей каркаса с обратным по отношению друг к другу уклоном обеспечивает разнесение на большее друг от друга расстояние расположенных на соседних конусных поверхностях витков с большей разностью потенциалов, что уменьшает вероятность пробоя между ними. Однако, только этого недостаточно для сохранения габаритов прототипа, так как наличие кромки сопрягающихся конусных поверхностей вызывает неравномерное распределение потенциалов вокруг нее с повышением напряженности в наиболее острой части и, соответственно, увеличение готовности к пробою изолирующего диэлектрика, расположенного между кромками и высоковольтным электродом (а также между кромками и корпусом). Обычно для уменьшения такой опасности требуется при повышении выходного напряжения, соответственно, увеличить толщину слоя диэлектрика между указанными кромками и высоковольтным электродом (а также и корпусом), что ведет к росту габаритов устройства.

Заполнение внутреннего объема источника питания между корпусом и высоковольтным электродом комбинированной изоляцией, выполненной в виде чередующихся слоев диэлектрического материала, разделенных жидким диэлектриком, также, как заполнение этого объема твердым диэлектриком с выполнением в последнем по крайней мере одного пространства (канала), имеющего кольцевое сечение и простирающегося от каждой круговой линии сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса до ближайшей к ней торцевой части корпуса, совместно с использованием в обоих вариантах для заполнения свободных внутренних пространств в корпусе жидкого диэлектрика, выбранного из ряда - глицерин, спирт, дистиллированная вода, обеспечивают выравнивание потенциалов в районе вторичной обмотки и кромок сопрягающихся под углом друг к другу конусных поверхностей ее каркаса. Устраняются условия для возникновения и развития разрядов между витками обмотки и твердой (комбинированной) изоляцией и, что особенно важно, разрядов в направлениях от указанных кромок к высоковольтному электроду и корпусу источника питания.

Заполнение внутреннего объема источника питания между корпусом и высоковольтным электродом частично твердым диэлектриком, частично - комбинированной изоляцией, выполненной в виде чередующихся слоев диэлектрического материала, разделенных жидким диэлектриком, причем комбинированная изоляция расположена по крайней мере в пространстве, простирающемся от каждой круговой линии сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса вторичной обмотки до ближайшей торцевой части корпуса, при использовании в качестве жидкого диэлектрика внутри корпуса источника глицерина, спирта или дистиллированной воды также ведет к указанному выше эффекту.

Выравнивание потенциалов при использовании именно глицерина, спиртов или дистиллированной воды, обусловлено тем, что они, при достаточном пробивном напряжении, имеют определенную проводимость, на несколько (по крайней мере шесть) порядков большую, чем проводимость, например, трансформаторного масла (равная 1•10^-14 Ом^-1•см^-1). Это ведет к появлению тока утечки по слою жидкого диэлектрика между витками вторичной обмотки и торцевыми частями корпуса источника, величина которого достаточна для выравнивания потенциалов и, в то же время, незначительна с точки зрения ее отрицательного влияния на накопление энергии во вторичной обмотке трансформатора за время действия импульса напряжения.

Наиболее целесообразным является использование глицерина, как обладающего достаточным значением проводимости, максимальной долговременной стойкостью и высокой энергоемкостью. Спирты и особенно дистиллированная вода требует контроля и своевременной замены вследствие химического реагирования и ухудшения состава в процессе эксплуатации. Вода и глицерин имеют значения диэлектрической проницаемости, соответственно, 80 и 40 при 25^oC. Спирты имеют более низкие значения диэлектрической проницаемости: метиловый 32, этиловый 24,5, пропиловый 17,9 (при 25^oC), тринитробензиловый и изобутиловый, соответственно, 22 и 18 (при 20^oC). Более высокое значение диэлектрической проницаемости обеспечивает большую энергоемкость жидкого диэлектрика. По проводимости рассматриваемые диэлектрики располагаются следующим образом (в порядке ее увеличения): глицерин (6,4•10^-8 Ом^-1•см^-1), спирты, дистиллированная вода (2,7•10^-5Ом^-1•см^-1). Проводимость этилового спирта 1,5•10^-7Ом^-1•см^-1, бензилового - 1,8•10^-6Ом^-1•см^-1. Из спиртов наиболее предпочтительно использование метилового и этилового. В принципе возможно использование для достижения цели изобретения других жидких диэлектрических материалов с значениями проводимости, находящимися в пределах приведенного выше диапазона (6,4•10^-8 2,7•10^-5 Ом^-1•см^-1 с погрешностью ±10^~).

Известная комбинированная изоляция представляет собой бумажно-пленочную изоляцию, пропитанную перфторуглеродными или кремнийорганическими жидкостями, трансформаторным маслом (Комин С.Н. и др. Высоковольтные конденсаторы для мощных импульсных источников питания. Электротехника, 1991, N 5, с. 51-53). При этом пленка размещается в несколько чередующихся слоев, разделенных указанным жидким диэлектриком или бумагой, пропитанной этим диэлектриком.

Предложенное использование в комбинированный изоляции в качестве пропитывающей диэлектрической среды жидкого диэлектрика, выбранного из ряда - глицерин, спирт, дистиллированная вода, обеспечивает уменьшение вероятности развития пробоев через несколько слоев изоляции из-за наличия у этих жидкостей определенной проводимости, приводящей к выравниванию потенциалов при наличии неровностей поверхности диэлектрической пленки комбинированной изоляции. Кроме того, целесообразно использовать один и тот же вид жидкого диэлектрика как между слоями комбинированной изоляции, так и для заполнения других пространств корпуса источника питания.

Из числа других отличительных признаков изобретения известно использование предложенных жидких диэлектриков (глицерин, дистиллированная вода, спирт) и твердого диэлектрика:
о глицерине и спиртах Ушаков В.Я. и др. Импульсный разряд в диэлектриках Электрическая прочность жидкостей и рабочая напряженность изоляционных промежутков высоковольтных импульсных устройств. М. 1985, с. 114-134;
о воде Ушаков В.Я. и др. К выбору оптимальных форм изоляторов высоковольтных импульсных устройств с водяной изоляцией, Электричество, 1980, N 12, с. 56-58;
о твердом диэлектрике В.Я.Ушаков. Многоимпульсная электрическая прочность монолитной полимерной изоляции. в кн. Физика и техника мощных импульсных систем. М. Энергоатомиздат, 1978, с. 295).

Указанные диэлектрики используются для обеспечения требуемой в конкретных условиях электрической прочности в высоковольтных установках, исходя из условия, что чем больше толщина диэлектрика, тем больше напряжения пробоя.

Наряду с известными отличительными признаками предложенное техническое решение содержит и неизвестные ранее признаки, в частности, наличие в расположенных между обмотками и высоковольтным электродом комбинированной изоляции или твердом диэлектрике по крайней мере одного пространства кольцевого сечения, простирающегося от каждой круговой линии сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса до ближайшей к ней торцевой части корпуса, заполнение этого пространства глицерином, спиртом или дистиллированной водой, а также использование в качестве одного из слоев комбинированной изоляции глицерина, спирта, дистиллированной воды.

В предложенном техническом решении использование известных диэлектриков и изоляции в совокупности с другими, ранее не известными отличительными признаками независимых пунктов формулы, обеспечивает возможность увеличения числа витков однослойной, расположенной на конусных поверхностях каркаса вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора без увеличения габаритов обмотки и размеров источника питания. Это является новым техническим результатом, обеспечивающим в конечном итоге повышение выходного напряжения импульсного источника без увеличения его габаритов. Поэтому предложенное техническое решение обладает изобретательским уровнем.

При этом указанный новый технический результат достигается во всех трех вариантах выполнения изобретения аналогичными средствами, что свидетельствует о наличии единства изобретательского замысла.

Выравнивание потенциалов и ликвидация причин возникновения пробоев позволяют в предложенной конструкции при увеличении выходного напряжения обойтись без увеличения толщины слоя диэлектрика между корпусом и высоковольтным электродом, т. е. сохранить габариты источника питания. Это обеспечивает создание малогабаритных высоковольтных импульсных источников питания при предельно высоких для конкретных диэлектриков напряжениях. Создание таких источников питания с повышенным выходным напряжением позволяет изготовить, например, малогабаритные сильноточные импульсные ускорители с повышенной энергией электронов, что расширяет возможности их использования, в частности, позволяет организовать эксплуатацию ускорителей в условиях лечебного учреждения для проведения быстрой стерилизации электронами медицинских инструментов.

Введение между поверхностью высоковольтного электрода и твердым диэлектриком или комбинированной изоляцией пространства, заполненного предложенным жидким диэлектриком, обеспечивает выравнивание потенциалов вблизи имеющихся на металлической поверхности высоковольтного электрода шероховатостей и неровностей и дополнительное снижение вероятности пробоев.

Выполнение простирающегося от торцевой части высоковольтного электрода до ближайшей к ней торцевой части корпуса источника кольцевого или цилиндрического пространства, заполненного предложенным жидким диэлектриком, как и вышеуказанного кольцевого пространства между каждой круговой линией сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса и ближайшей к ней торцевой частью корпуса, дополнительно способствует снижению пробоев между торцевой частью высоковольтного электрода и сопрягающимися кромками соседних конусных поверхностей вторичной обмотки.

Наличие простирающегося от низковольтного конца вторичной обмотки до ближайшей к нему торцевой части корпуса источника пространства кольцевого сечения, заполненного предложенным жидким диэлектриком, также снижает вероятность пробоя между этим концом вторичной обмотки и корпусом источника.

Введение между внутренней поверхностью корпуса источника и твердым диэлектриком или комбинированной изоляцией пространства, заполненного предложенным жидким диэлектриком, также способствует снижению вероятности пробоев между корпусом источника питания и другими находящимися под напряжением элементами устройства.

Дополнительно следует отметить, что наличие заполненных жидким диэлектриком кольцевых пространств, простирающихся от одной до другой торцевой поверхности корпуса источника, позволяет обеспечить принудительное перемещение жидкого диэлектрика от одной торцевой поверхности корпуса к другой, например, с помощью расположенного вне корпуса источника насоса, включенного между располагаемыми на торцевых поверхностях или вблизи их патрубками. Это требуется в случае непрерывного в течение определенного продолжительного времени режима работы источника питания для охлаждения нагревающихся внутренних частей источника.

На фиг. 1 изображен общий вид первого варианта выполнения изобретения с комбинированной изоляцией; на фиг.2 вид поперечного сечения корпуса; на фиг. 3 пример выполнения комбинированной изоляции; на фиг.4 другой вид поперечного сечения корпуса; на фиг.5 второй вариант выполнения изобретения с твердым диэлектриком; на фиг. 6 третий вариант исполнения изобретения - сочетание твердого диэлектрика и комбинированной изоляции.

Импульсный источник питания содержит (фиг.1) цилиндрический герметичный корпус 1, замкнутый с одной стороны торцевой крышкой 2, с другой стороны - торцевой диэлектрической шайбой 3. По оси корпуса 1 размещен высоковольтный электрод 4. На внутренней поверхности корпуса 1 размещена внешняя часть 5 разомкнутого магнитопровода импульсного трансформатора, на высоковольтном электроде 4 расположена внутренняя часть 6 указанного магнитопровода. Высоковольтный электрод 4 с магнитопроводом 6 и корпус 1 с магнитопроводом 5 играют роль, соответственно, внутреннего и внешнего проводников формирующей линии.

Вблизи от внутренней поверхности корпуса 1 расположена являющаяся входом источника питания одновитковая низковольтная первичная обмотка 7 импульсного трансформатора, выполненная в виде одного (фиг.1) или нескольких параллельно включенных разомкнутых металлических колец (не показано). Один из концов каждого кольца первичной обмотки 7 соединен с корпусом 1, другой через ввод 8 и управляемый тиристорный ключ 9 соединен с параллельно соединенными конденсатором 10 и источником входного напряжения 11, другие концы которых соединены с корпусом 1 источника питания.

Между низковольтной первичной обмоткой 7 и высоковольтным электродом 4 на двух конусных поверхностях 12, 13 каркаса из диэлектрического материала размещена высоковольтная вторичная обмотка 14 импульсного трансформатора, являющаяся выходом источника питания. Вторичная обмотка 14 на фигурах 1, 4-6 условно показана крестиками. Оси конических поверхностей 12, 13 каркаса совпадают с осью цилиндрического корпуса 1. Один конец обмотки 14 соединен с корпусом 1, другой с высоковольтным электродом 4 (эти соединения не показаны). Конусные поверхности 12 и 13 каркаса вторичной обмотки 14 размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном.

Внутреннее пространство корпуса 1 заполнено комбинированной изоляцией 15, в которой выполнено цилиндрическое пространство 16 кольцевого сечения (фиг.1 и 2), простирающееся от сопрягающихся кромок 17 конусных поверхностей 12, 13 каркаса до внутренней поверхности торцевой крышки 2. Пространство 16 является, в частности, каналом для прохождения тока утечки между местом сопряжения кромок 17 конических поверхностей каркаса и торцевой крышкой 2 корпуса 1. При выполнении пространства 16 кольцевого сечения в вышеуказанной комбинированной изоляции 15 для выдерживания радиальных размеров этого пространства в нем размещены ориентированные вдоль оси корпуса 1 полоски 18 из твердого диэлектрика, например, текстолита (фиг.2). Полоски 18 расположены на расстояниях друг от друга, образующих промежутки 19. Аналогичные полоски 18, на чертежах для упрощения не показанные, размещены также под и над конусными поверхностями 12, 13 каркаса вторичной обмотки, образуя пространства 20 и 21 кольцевого сечения (фиг.1, 4). Пространства 20, расположенные над конусными поверхностями 12, 13, включают в себя вторичную обмотку 14. Заполненные жидким диэлектриком промежутки 19 в пространствах 16, 20 и 21 являются каналами прохождения тока утечки в этих пространствах.

Комбинированная изоляция 15 представляет собой, в частности (фиг.3), намотанную спирально полиэтиленовую пленку 22, между слоями которой размещены прокладки 23 из гигроскопического диэлектрика, например, конденсаторной бумаги. Прокладки 23 выполнены в форме полосок, ориентированных в направлении оси цилиндрического корпуса 1, между прокладками имеются промежутки 24. Такая конструкция обеспечивает пропитку бумажных прокладок 23 жидким диэлектриком в корпусе источника питания после его сборки.

При другом исполнении комбинированной изоляции могут быть использованы вместо прокладок 23 заранее пропитанные жидким диэлектриком листы бумаги, заполняющие пространства между слоями пленки 22 (не показано).

Все вышеуказанные пространства (16, 20, 21) и промежутки (19, 24) в корпусе 1 источника заполнены жидким диэлектриком (на чертежах не обозначен), в частности, глицерином. Для заполнения глицерином корпуса 1 в нем имеются патрубки 25 и 26. Для подвода глицерина от штуцеров к пространству 16, промежуткам 24 и бумажным прокладкам 23 между торцевыми частями 2, 3 корпуса 1 и комбинированной изоляцией 15 предусмотрены пространства 27, 28 вдоль поверхностей торцевых частей 2, 3 корпуса 1. Перед заполнением глицерином производится дегазация корпуса 1, а жидкий диэлектрик подается под давлением, чтобы полностью пропитать им вторичную обмотку 14 и бумажные прокладки 23. После заполнения и пропитки корпус 1 герметизируется.

Нагрузкой источника питания является разрядник, одним из электродов которого служит конец 29 высоковольтного электрода 4. Корпус разрядника (не показан) соединяется с корпусом 1 источника питания с помощью фланца 30.

В качестве жидкого диэлектрика могут быть использованы также спирты, дистиллированная вода. Каркас вторичной обмотки 14 может иметь, например, три или четыре конусных поверхности (не показано), причем соседние конусные поверхности размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном. В этом случае от каждой кольцевой линии сопряжения соседних конусных поверхностей до ближайшей торцевой части корпуса простирается заполненное жидким диэлектриком цилиндрическое пространство кольцевого сечения. Количество конусных поверхностей определяется требуемым числом витков вторичной обмотки 14.

Следует отметить, что выполнение пространства 16 в комбинированной изоляции 15 для работоспособности источника питания и осуществления изобретения не обязательно. Пространство 16 показано на фиг.1 для наглядности пояснения прохождения токов утечки сопрягающимися кромками 17 конических поверхностей 12, 13 каркаса и торцевой крышкой 2 корпуса 1. При отсутствии пространства 16 его роль для указанных токов утечки играют находящиеся на месте этого пространства промежутки 24 в комбинированной изоляции (фиг.3).

На фиг. 5 показана конструкция источника питания по второму варианту выполнения изобретения с твердой изоляцией 31, в качестве которой использован, например, фторопласт-4. В этом варианте вторичная обмотка 14 размещена на конических поверхностях 12, 13 твердого диэлектрика 31 в пространствах кольцевого сечения 20. В твердом диэлектрике 31 выполнено также кольцевого сечения пространство 16, расположенное между сопрягающимися кромками 17 соседних поверхностей 12, 13 и торцевой крышкой 2 корпуса Имеются пространства 27 и 28 между торцевыми частями внутренней поверхности корпуса 1 и твердым диэлектриком 31. Пространства 16, 20, 27, 28 заполнены жидким диэлектриком, например, глицерином. В устройство по рассматриваемому варианту введены дополнительные, также заполненные жидким диэлектриком указанные ниже пространства. Пространства 32 располагается вдоль всей находящейся внутри корпуса 1 поверхности высоковольтного электрода 4. Пространство 33 цилиндрического сечения соединяют между собой пространства 32 и 27. Пространство 33 может иметь и кольцевое сечение. Пространство 34 кольцевого сечения размещено вдоль всей внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 и соединяется с пространством 20, расположенным над ближайшей к корпусу 1 конической поверхностью 13 каркаса. Наличие указанных заполненных предложенным жидким диэлектриком пространств, кроме снижения вероятности пробоев, обеспечивает возможность перемещения жидкого диэлектрика между патрубками 25 и 26 с помощью, например, размещенного вне корпуса 1 насоса (не показан). Это требуется при длительной непрерывной работе источника питания для отвода тепла от нагревающихся внутренних частей источника.

Для закрепления изображенных на фиг.5 частей твердого диэлектрика относительно друг друга и корпуса 1 в пространствах 16, 20, 32, 33 и 34 расположены не показанные на чертежах текстолитовые полоски (аналогично полоскам 18 на фиг. 2,4). На обращенных к торцевым частям 2, 3 корпуса 1 поверхностях твердого диэлектрика выполнены скругленные выступы (например, 35 и 36), не нарушающие непрерывности пространств 27, 28. Комбинированная изоляция 15, 37 закрепляется за счет натяжения пленки 22 при ее намотке.

Согласно третьему варианту выполнения изобретения возможно заполнение разных частей внутреннего объема корпуса 1 источника питания разными типами диэлектрической среды. Например (фиг.6), между высоковольтным электродом 4 и ближайшей к нему конической поверхностью 12 каркаса вторичной обмотки 14 используется комбинированная изоляция 37, а над ней твердый диэлектрик 38. Прохождение тока утечки между кромками 17 и крышкой 2 обеспечивается в данном варианте наличием комбинированной изоляции в пространстве, простирающемся от этих кромок до указанной крышки. Для этого цилиндрическая поверхность 39 раздела между твердым диэлектриком 38 и комбинированной изоляцией 37 должна быть расположена либо дальше от центральной оси источника питания, чем кольцевые сопрягающиеся кромки 17, либо на таком же расстоянии (фиг.6). При взаимном изменении приведенного на фиг. 6 расположения твердого диэлектрика 38 и комбинированной изоляции 37 (не показано) цилиндрическую поверхность 39 раздела этих сред следует расположить либо ближе к оси источника питания, чем кромки 17, либо на одинаковом расстоянии с кромками 17. В обоих случаях ток утечки между кромками 17 и крышкой 2 проходит по заполненным жидким диэлектриком промежуткам 24 между слоями 22 пленки комбинированной изоляции (фиг. 3), чем обеспечивается достижение нового технического результата изобретения. В пространстве между коническими поверхностями 12, 13 каркаса вторичной обмотки может быть использован тот или другой вид диэлектрической среды.

В первом (фиг. 1) и третьем (фиг. 6) вариантах исполнения изобретения могут быть выполнены при необходимости показанные на фиг. 5 пространства 32, 33 и 34.

Источник питания может быть выполнен без магнитопровода 5, 6, а корпус 1 и высоковольтный электрод 4 могут не играть роль формирующей линии, как, например, в вышеуказанных аналогах изобретения. Схема подачи низковольтного напряжения (элементы 9, 10 и 11) на входную первичную обмотку 7 высоковольтного источника не обязательно выполняется так, как указано на фиг. 1, например, вместо управляемого тиристора 9 может быть использован разрядник (не показано). Нагрузкой вторичной обмотки 14 источника питания, в зависимости от условий его использования, может быть не только разрядник, а, например, катод ускорителя электронов, взрывающиеся проволочки или водяной конденсатор.

Одним из конкретных примеров является источник питания, выполненный с применением комбинированной изоляции из слоев 22 полиэтилен-терефталатной пленки марки Э толщиной 190 мкм с прокладками 23 в виде полосок из папиросной бумаги толщиной 30 мкм, шириной 28 мм, расположенных на расстоянии 20 мм друг от друга. В качестве жидкого диэлектрика взят глицерин с пробивным напряжением 110 кВ/см, удельной проводимостью 6,4•10^-8 Ом^-1•см^-1. Величина поперечного сечения заполненных глицерином промежутков 24 между слоями 22 пленки при указанных размерах прокладок 23 достаточна для прохождения требуемых токов утечки. Каркас вторичной обмотки 14 с конусными поверхностями 12, 13 выполнен из стеклотекстолита 0,1 мм. Размер в радиальном направлении заполненных глицерином пространстве 16, 20, 21, 32, 34 равен 2 мм, что обеспечено текстолитовыми полосками 18 соответствующей толщины, имеющих ширину около 1 см, расположенными на расстоянии 5 мм друг от друга. Размер пространств 27 и 28 в осевом направлении составляет также 2 мм. Величина поперечного сечения пространств 16, 20, 21, 27, 28, 32, 34 при указанных размерах достаточна для обеспечения прокачки жидкого диэлектрика. Выбор этой величины зависит от вязкости жидкого диэлектрика и требуемой производительности прокачки для достижения нужной степени охлаждения. Расстояние от кромок 17 конусных поверхностей до торцевой крышки 2 корпуса равно 800 мм, что достаточно для защиты от пробоя в этом направлении по слою 16 жидкого диэлектрика. При максимальном выходном импульсном напряжении 1000 кВ внешний диаметр корпуса источника составляет 320 мм, длина корпуса 1900 мм.

Импульсный источник питания работает следующим образом.

При разомкнутом тиристорном ключе 9 от источника напряжения 11 заряжается емкость 10. При включении ключа 9 накопленная в указанной емкости энергия перекачивается в формирующую линию. При этом в цепи первичного контура (емкость 10, тиристор 9, первичная обмотка 7) импульсного трансформатора течет меняющийся по величине ток разряда емкости 10. В разомкнутом магнитопроводе 5, 6 возникает меняющийся во времени магнитный поток, создающий на вторичной обмотке 14 трансформатора повышенное напряжение заряда распределенной конструктивной емкости формирующей линии. В процессе заряда конструктивной емкости линии растет напряжение на вторичной обмотке 14, т.е. напряжение между проводниками линии. По достижении этим напряжением заданного значения происходит разряд формирующей линии на разрядник нагрузки. Ток разряда распределенной конструктивной емкости линии течет через нагрузку источника питания по внешнему (корпус 1 с магнитопроводом 5) и внутреннему (электрод 4 с магнитопроводом 6) проводникам формирующей линии.

С начала действия импульса входного напряжения по мере повышения напряжение на вторичной обмотке 14 увеличивается, в частности, и разность потенциалов между корпусом 1 и витками обмотки, расположенными вблизи сопрягающихся кромок 17 конических поверхностей 12, 13 каркаса. Указанные витки обмотки 14, имея достаточно высокое напряжение, равное половине максимального, расположены достаточно близко от корпуса 1 (на расстоянии, равном половине от максимального). В то же время присутствие кромок сопрягающихся конусных поверхностей вызывает повышенную неравномерность распределения потенциалов возле них. Такое сочетание обстоятельств обусловливает максимальную вероятность пробоя между этими витками и корпусом 1, а также между витками и высоковольтным электродом 4. Однако, через достаточно проводящий жидкий диэлектрик в пространстве 16 начинает проходить ток утечки между витками вторичной обмотки и торцевой крышкой 2 корпуса 1. Вследствие протекания тока происходит выравнивание потенциалов в районе сопрягающихся кромок 17. Это предотвращает возникновение пробоев между кромками 17 и корпусом 1 (высоковольтным электродом 4). При отсутствии пространства 16 в комбинированной изоляции указанный ток утечки проходит в промежутках 24 этой изоляции.

Протекание токов утечки в промежутках 19 пространств 16, 20, 21, 32, 33 и 34, в промежутках 24 между слоями пленки 22 комбинированной изоляции, а также в пространствах 27, 28 способствует выравниванию потенциалов и снижению вероятности пробоев, например, при наличии инородных частиц или шероховатостей поверхности материалов.

В варианте источника без магнитопровода 5, 6 при подаче импульса низковольтного входного напряжения только меняющееся магнитное поле самой первичной обмотки наводит ЭДС в витках вторичной обмотки. В остальном работа источника происходит, как указано выше.

Использование изобретения обеспечивает создание импульсных источников питания с повышенным напряжением и уменьшенными размерами, в результате чего расширяется область использования, в частности, изготовленных на основе данных источников малогабаритных сильноточных импульсных наносекундных ускорителей электронов.

Изобретение относится к импульсной технике, к высоковольтным импульсным источникам питания для электрофизической аппаратуры и может быть использовано, в частности, при создании малогабаритных сильноточных импульсных ускорителей заряженных частиц. Высоковольтный импульсный источник питания содержит расположенный в замкнутом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом источника питания. Вторичная обмотка трансформатора является выходом источника и размещена коаксиально первичной обмотке на конусной поверхности каркаса из диэлектрического материала. Один конец вторичной обмотки соединен с корпусом, другой - с высоковольтным электродом, расположенным на оси указанного каркаса. Вторичная обмотка погружена в жидкий диэлектрик, а остальное пространство между корпусом и высоковольтным электродом также заполнено диэлектрической средой. 3 с. и 10 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Высоковольтный импульсный источник питания, включающий расположенный в замкнутом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом высоковольтного импульсного источника питания, а вторичная обмотка импульсного трансформатора, являющаяся выходом высоковольтного импульсного источника питания, размещена коаксиально первичной обмотке и соединена одним концом с корпусом, а другим с высоковольтным электродом, соосно с которым расположен каркас с конусной поверхностью, выполненный из диэлектрического материала, для размещения вторичной обмотки импульсного трансформатора, вторичная обмотка погружена в жидкий диэлектрик, а остальное пространство между корпусом и высоковольтным электродом также заполнено диэлектрической средой, отличающийся тем, что каркас для размещения вторичной обмотки импульсного трансформатора снабжен по крайней мере одной дополнительной конусной поверхностью, расположенной коаксиально к имеющейся поверхности, соседние конусные поверхности размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном, на каждой конусной поверхности размещена соответствующая часть вторичной обмотки, в качестве диэлектрической среды между корпусом и высоковольтным электродом использована комбинированная изоляция, выполненная в виде чередующихся слоев диэлектрического материала, разделенных жидким диэлектриком, а в качестве жидкого диэлектрика внутри корпуса использованы глицерин, или спирт, или дистиллированная вода. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что пространство между поверхностью высоковольтного электрода и комбинированной изоляции заполнено жидким диэлектриком. 3. Источник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что пространство между внутренней поверхностью корпуса и комбинированной изоляцией заполнено жидким диэлектриком. 4. Высоковольтный импульсный источник питания, включающий расположенный в замкнутом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом высоковольтного импульсного источника питания, а вторичная обмотка импульсного трансформатора, являющаяся выходом высоковольтного импульсного источника питания, размещена коаксиально первичной обмотке и соединена одним концом с корпусом, а другим с высоковольтным электродом, соосно с которым расположен каркас с конусной поверхностью, выполненной из диэлектрического материала, для размещения вторичной обмотки импульсного трансформатора, вторичная обмотка погружена в жидкий диэлектрик, а остальное пространство между корпусом и высоковольтным электродом также заполнено диэлектрической средой, отличающийся тем, что каркас для размещения вторичной обмотки импульсного трансформатора снабжен по крайней мере одной дополнительной конусной поверхностью, расположенной коаксиально к имеющейся поверхности, соседние конусные поверхности размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном, на каждой конусной поверхности размещена соответствующая часть вторичной обмотки, в качестве диэлектрической среды между корпусом и высоковольтным электродом использован твердый диэлектрик, в котором сформировано по крайней мере одно пространство кольцевого сечения, простирающееся от каждой круговой линии сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса до ближайшей к ней торцевой части корпуса, заполненное жидким диэлектриком, а в качестве жидкого диэлектрика внутри корпуса использованы глицерин, или спирт, или дистиллированная вода. 5. Источник по п.4, отличающийся тем, что пространство между поверхностью высоковольтного электрода и твердым диэлектриком заполнено жидким диэлектриком. 6. Источник по п.5, отличающийся тем, что в твердом диэлектрике выполнена простирающаяся от торцевой части высоковольтного электрода до ближайшей к ней торцевой части корпуса полость кольцевого или цилиндрического сечения, заполненная жидким диэлектриком. 7. Источник по пп.4 6, отличающийся тем, что в твердом диэлектрике выполнена простирающаяся от конца вторичной обмотки, подключенного к корпусу, до ближайшей к нему торцевой части корпуса полость кольцевого сечения, заполненная жидким диэлектриком. 8. Источник по пп.4 7, отличающийся тем, что пространство между внутренней поверхностью корпуса и твердым диэлектриком заполнено жидким диэлектриком. 9. Высоковольтный импульсный источник питания, включающий расположенный в замкнутом корпусе импульсный трансформатор, первичная обмотка которого одним концом соединена с корпусом и является входом высоковольтного импульсного источника питания, а вторичная обмотка импульсного трансформатора, являющаяся выходом высоковольтного импульсного источника питания, размещена коаксиально первичной обмотке и соединена одним концом с корпусом, а другим с высоковольтным электродом, соосно с которым расположен каркас с конусной поверхностью, выполненный из диэлектрического материала, для размещения вторичной обмотки импульсного трансформатора, вторичная обмотка погружена в жидкий диэлектрик, а остальное пространство между корпусом и высоковольтным электродом также заполнено диэлектрической средой, отличающийся тем, что каркас для размещения вторичной обмотки импульсного трансформатора снабжен по крайней мере одной дополнительной конусной поверхностью, расположенной коаксиально к имеющейся поверхности, соседние конусные поверхности размещены с обратным по отношению друг к другу уклоном, на каждой конусной поверхности размещена соответствующая часть вторичной обмотки, в качестве диэлектрической среды между корпусом и высоковольтным электродом использован частично твердый диэлектрик, частично комбинированная изоляция, выполненная в виде чередующихся слоев диэлектрического материала, разделенная жидким диэлектриком, причем комбинированная изоляция расположена по крайней мере в пространстве, простирающемся от каждой круговой линии сопряжения соседних конусных поверхностей каркаса вторичной обмотки до ближайшей торцевой части корпуса, а в качестве жидкого диэлектрика внутри корпуса использованы глицерин, или спирт, или дистиллированная вода. 10. Источник по п.9, отличающийся тем, что пространство между поверхностью высоковольтного электрода и твердым диэлектриком или комбинированной изоляцией заполнено жидким диэлектриком. 11. Источник по п.10, отличающийся тем, что пространство кольцевого или цилиндрического сечения, простирающееся от торцевой части высоковольтного электрода до ближайшей к ней торцевой части корпуса, заполнено жидким диэлектриком. 12. Источник по пп.9 11, отличающийся тем, что пространство кольцевого сечения, простирающееся от низковольтного конца вторичной обмотки до ближайшей к нему торцевой части корпуса, заполнено жидким диэлектриком. 13. Источник по пп. 9 12, отличающийся тем, что пространство между внутренней поверхностью корпуса и твердым диэлектриком или комбинированной изоляцией заполнено жидким диэлектриком.