ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области получения мощных высоковольтных коротких импульсов напряжения преимущественно наносекундного дипазона длительности и может быть использовано в электрофизическом аппаратуре, в частности, в технике формирования сильноточных импульсных пучков электронов.

Изобретение имеет два варианта исполнения.

Известен генератор импульсов высокого напряжения, содержащий первый импульсный трансформатор, параллельно первичной обмотке которого включены последовательно соединенные коммутирующий элемент первый накопительный конденсатор, контакты которого являются входом генератора, параллельно вторичной обмотке первого импульсного трансформатора включены последовательно соединенные нелинейная индуктивность и второй накопительный конденсатор, параллельно которому через рабочие электроды трехэлектродного управляемого разрядника включена первичная обмотка второго импульсного трансформатора, управляющий электрод трехэлектродного разрядника соединен с точкой соединения между собой вторичной обмотки первого импульсного трансформатора и нелинейной индуктивности, вторичная обмотка второго импульсного трансформатора с параллельно к ней включенным третьим накопительным высоковольтным конденсатором является выходом генератора (Желтов К.А. и др., "Генератор импульсов высокого напряжения", авт.св. СССР N 356761, H 03 K 3/53, БИ N 29 за 1972).

Известный генератор импульсов относится к устройствам формирования высоковольтных импульсов с самоуправляемым принудительным запуском разрядника, управляющего разрядом накопительной емкости (в данном случае - второго накопительного конденсатора). Недостатком аналога является его сложность вследствие использования двух импульсных трансформаторов и трех накопительных конденсаторов. Включение управляемого разрядника в цепь первичной обмотки второго импульсного трансформатора не позволяет использовать этот разрядник в качестве обострителя выходных импульсов генератора. Это обуславливает повышенную длительность фронтов выходных импульсов генератора, что ограничивает его применение, например, в установках с высокими требованиями к прямоугольности выходного импульса.

Наиболее близким к изобретению по первому варианту является генератор импульсов высокого напряжения (Васильев В.В. и др. Пусковое устройство многоканального разрядника, "Приборы и техника эксперимента", 1988, N 6, с. 99-102 рис. 1), содержащий импульсный трансформатор (Тр), параллельно первичной обмотке которого включены последовательно соединенные коммутирующий элемент (D₁) и первый накопительный конденсатор (C_н), контакты которого являются входом генератора. Последовательно со вторичной обмоткой импульсного трансформатора (Тр) включены заряжаемый через эту обмотку второй накопительный конденсатор (емкость формирующей линии C_ф.л) и нагрузка генератора (Z_н) и нагрузка генератора (Z_н). Выходная цепь генератора-прототипа, обеспечивающая формирование выходного импульса путем разряда емкости (C_ф.л) на нагрузку (Z_н), представляет собой изображенную на рис. 1 прототипа схему соединений емкости (C_ф.л) с нагрузкой (Z_н) и рабочими электродами управляемых разрядников (МР). Разрядники (МР) запускаются разрядником (ПР), управляющий электрод которого соединен с выходной цепью узла отбора мощности высокого напряжения для управления разрядником, выполненного в виде трехобмоточного дросселя (Д_p) с индуктивно связанными между собой первой, второй и третьей обмотки. Вторая обмотка (W₁) дросселя включена последовательно со вторичной обмоткой импульсного трансформатора (T_p), первая обмотка (W₂) индуктивно связана с цепью вторичной обмотки импульсного трансформатора через связь со второй обмоткой (W₁), третья обмотка (W_э) соединена параллельно с диодом (Д_э), а последовательно соединенные третий конденсатор (C_р) и первая обмотка (W₂) являются выходной цепью узла отбора мощности. Управляющий электрод каждого из трехэлектродных разрядников (ПР и МР) в прототипе встроен в низкопотенциальный рабочий электрод соответствующего разрядника, соединенный с корпусом генератора.

Следует отметить, что в прототипе первого варианта изобретения к существенным признакам изобретения относится, в частности, выполнение узла отбора мощности и вид его связи со вторичной обмоткой импульсного трансформатора и управляющим электродом разрядника ПР (рис. 1 указанной статьи). При этом не является существенным признаком конкретная реализация выходной цепи генератора-прототипа, представляющей собой, как сказано выше, вид соединения второго накопительного конденсатора (C_ф.л) с нагрузкой (Z_н) и рабочими электродами управляемого разрядника или разрядников (ПР, МР). Эта выходная цепь может быть выполнена так, как указано в прототипе, но может быть выполнена и только с одним управляемым разрядником (например, с верхним по рис. 1 прототипа разрядником, МР, при этом конденсатор C_р соединяется непосредственно с управляющим электродом этого разрядника МР).

Соединение второго накопительного конденсатора (C_ф.л) с нагрузкой (Z_н) и управляемым разрядником (МР) также может быть реализовано не так, как в прототипе (последовательное соединение C_ф.л и Z_н), а таким известным способом, как, например, в вышеуказанном генераторе-аналоге, если при этом считать нагрузкой генератора первичную обмотку второго импульсного трансформатора (параллельное соединение C_ф.л и Z_н через рабочие электроды управляемого разрядника).

Генератор-прототип первого варианта изобретения, как и аналог, является устройством для формирования высоковольтных импульсов с самоуправляемым принудительным запуском разрядника (ПР), который задает момент начала разряда второго накопительного конденсатора. В качестве узла отбора мощности для управления разрядником используется трехобмоточный дроссель (Д_р), который вводится в состояние насыщения путем короткого замыкания в соответствующий период времени третьей обмотки (W_э) дросселя через диод Д_э. Это вызывает повышение затраты энергии на насыщение дросселя и соответствующее понижение КПД генератора.

Кроме того, в прототипе управляющий электрод разрядника (ПР) через конденсатор C_р и первую обмотку (W₂) соединен с корпусом генератора. Это не позволяет встраивать управляющий электрод разрядника в высокопотенциальный рабочий электрод управляемого разрядника при повышенном максимальном напряжении заряда второго накопительного конденсатора (C_ф.л), в частности, при напряжениях порядка нескольких сотен кВ, вследствие возникновения в таком случае пробоя между высокопотенциальным электродом разрядника и корпусом по цепи управляющего электрода. Данное обстоятельство ограничивает возможности улучшения параметров генератора в части повышения крутизны фронта выходного импульса генератора.

Наконец, особенностью электрической схемы узла отбора мощности высокого напряжения для управления разрядником в прототипе первого варианта изобретения является срабатывание разрядника через некоторое время после достижения напряжения U_ф.л на втором накопительном конденсаторе (C_ф.л) максимума напряжения U_о (время между моментами t₂ и t₅ на рис. 2 прототипа). Это увеличивает время воздействия высокого напряжения на изоляцию высоковольтных элементов генератора и при работе на высоких напряжениях, близких к предельно допустимым для изоляции, недопустимо повышает вероятность пробоя. То-есть генератор обладает пониженной надежностью работы при повышенных напряжениях или требует ограничения на величину высокого выходного напряжения. Отсутствует возможность реализации работы на высоких напряжениях, близких к предельно допустимым для изоляции.

Задачей изобретения по первому варианту является улучшение эксплуатационных качеств генератора путем повышения амплитуды выходных импульсов и КПД генератора при одновременном повышении надежности его работы.

Для решения поставленной задачи в генератор импульсов высокого напряжения, содержащий первый импульсный трансформатор, параллельно первичной обмотке которого включены последовательно соединенные коммутирующий элемент и первый накопительный конденсатор, контакты которого являются входом генератора, в цепь вторичной обмотки включены заряжаемый через эту обмотку второй накопительный конденсатор, нагрузка генератора и трехэлектродный управляемый разрядник, через рабочие электроды которого обеспечивается разряд второго накопительного конденсатора на нагрузку, причем управляющий электрод разрядника соединен с выходом узла отбора мощности высокого напряжения, включающего первую обмотку, третий конденсатор, индуктивно связанные между собой вторую и третью обмотки и диод, последовательно соединенный с третьей обмоткой, введены дополнительный коммутирующий элемент, второй импульсный трансформатор и четвертый конденсатор, при этом первая обмотка выполнена индуктивно связанной непосредственно с первичной обмоткой первого импульсного трансформатор, сердечник индуктивно связанных между собой второй и третьей обмоток выполнен насыщающимся, параллельно первой обмотке включены последовательно соединенные четвертый конденсатор и вторая обмотка, параллельно последовательно соединенным четвертому конденсатору и второй обмотке включены последовательно соединенные дополнительный коммутирующий элемент и первичная обмотка второго импульсного трансформатора, свободные концы последовательно соединенных третьей обмотки и диода соединены с управляющим входом дополнительного коммутирующего элемента, а параллельно вторичной обмотке второго импульсного трансформатора включен третий конденсатор и точки их соединения являются выходом узла отбора мощности высокого напряжения.

Кроме того, управляющий электрод разрядника генератора встроен в высокопотенциальный электрод этого разрядника.

Далее, в генератор введена индуктивность, в частности, переменная, включенная последовательно в цепь первой обмотки.

Наконец, в генератор введен двухэлектродный разрядник, включенный между выходным контактом узла отбора мощности высокого напряжения и управляющим электродом трехэлектродного разрядника.

Выполнение узла отбора мощности высокого напряжения в первом варианте изобретения в предложенном виде обеспечивает срабатывание разрядника в выбираемый разработчиком схемы момент времени как непосредственно перед достижением максимального напряжения на втором накопительном конденсаторе, так и непосредственно после или в промежуточные между указанными моментами времени путем установления требуемой постоянной времени цепи заряда четвертого конденсатора. Это является новым техническим результатом предложенного технического решения и свидетельствует о соответствии его критерию изобретательского уровня.

В результате сокращения время воздействия высокого напряжения на изоляцию генератора, повышается надежность его работы и обеспечивается реализация максимально высокого выходного напряжения для используемого вида изоляции, то-есть увеличивается амплитуда выходного напряжения при повышении надежности работы генератора. Предложенный узел отбора мощности высокого напряжения потребляет меньше энергии, чем используемый в прототипе, что повышает КПД генератора.

Кроме того, размещение управляющего электрода разрядника генератора в высокопотенциальном электроде этого разрядника обеспечивает форсирование процесса искрообразования и, соответственно, уменьшение длительности фронта выходного импульса.

Далее, введение в генератор индуктивности, в частности, переменной, включенной последовательно в цепь первой обмотки, обеспечивает возможность регулировки необходимого момента времени срабатывания разрядника в процессе настройки генератора.

Наконец, введение в генератор двухэлектродного разрядника, включенного между выходным контактом узла отбора мощности высокого напряжения и управляющим электродом трехэлектродного разрядника, приводит к уменьшению длительности фронта импульса, запускающего управляемый разрядник, ускорению его запуска и к соответствующему уменьшению фронта выходного импульса генератора.

Аналогом второго варианта изобретения является генератор импульсов высокого напряжения, реализованный в сильноточном наносекундном ускорителе электронов, содержащий импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, встроенный в коаксиальную формирующую линию, причем внешняя часть магнитопровода размещена на внешнем проводнике формирующий линии, являющемся корпусом генератора (ускорителя), а внутренняя совмещена с внутренним проводником формирующей линии, первичная обмотка трансформатора расположена вблизи внешнего проводника формирующей линии и соединена с ним одним концом, параллельно первичной обмотке трансформатора включены последовательно соединенные коммутирующий элемент и первый накопительный конденсатор, контакты которого являются входом генератора, вторичная обмотка импульсного трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками формирующей линии и соединена одним концом с внутренним, другим - с внешним проводниками формирующей линии, выполняющими роль второй накопительной емкости генератора, внешний проводник формирующей линии является одним из рабочих электродов двухэлектродного разрядника, другой рабочий электрод которого является выходным контактом генератора и соединен в данном случае с катодом ускорителя, являющимся нагрузкой генератора (Ельчанинов А.С., Загулов Ф.Я. и др., Сильноточные наносекундные ускорители электронов с высокой частотой следования импульсов, "Вопросы атомной науки и техники. Электрофизическая аппаратура", 1987, N 23, с. 33-36, рис. 1 и 2).

Известен также аналогичный указанному генератор, в котором роль внешнего проводника формирующей линии выполняют закрепленные в корпусе протяженные проводящие элементы, в частности, из проволоки, а внешняя часть магнитопровода размещена на корпусе вблизи внешнего проводника линии (Загулов Ф.Я. и Байнов В.Д., Импульсный источник питания, описание изобретения к патенту РФ N 2022457, H 03 K 3/53, БИ N 20, 1994).

Указанные известные генераторы импульсов относятся к устройствам формирования высоковольтных импульсов с неуправляемым двухэлектродным разрядником, самосрабатывающим при достижении определенного значения величины напряжения на его электродах. Недостатком таких генераторов является отсутствие возможности управления моментом срабатывания разрядника в процессе его эксплуатации, так как этот момент определяется нерегулируемыми характеристиками разрядника. Самосрабатывающие разрядники обладают повышенной неопределенностью момента срабатывания, что обуславливает колебания частоты и нестабильность амплитуды выходного импульса генератора. Причем нестабильность момента срабатывания разрядника растет с увеличением частоты повторения импульсов генератора, что накладывает ограничение на величину частоты генератора. При реализации генератора с величиной выходного напряжения, близкого к максимально допустимой для используемой изоляции, запаздывание срабатывания разрядника недопустимо повышает вероятность пробоя изоляции и приводит к выводу генератора из строя.

Наиболее близким к изобретению по второму варианту является генератор импульсов высокого напряжения, описанный в трех иерархически взаимосвязанных источниках:
1) Быков Н.М. и др., Сильноточный наносекундный ускоритель электронов с частотой следования импульсов 1 кГц, "VIII Всес. симп. по сильноточ. электронике", тез. докл., Свердловск, 1990, ч. 3, стр. 65-67;
2) Загулов Ф.Я. и др. Импульсный сильноточный наносекундный ускоритель электронов с частотой срабатывания до 100 Гц, "Приборы и техника эксперимента", 1976, N 5, с. 18-20;
3) Быков Н.М. и др. Сильноточный управляемый разрядник с частотой срабатывания 100 Гц, "Приборы и техника эксперимента", 1988, N 6, с. 96-99.

Статья 1) является основной и достаточной ссылкой на прототип и содержит комплексное описание примененного в ускорителе электронов генератора высоковольтных импульсов, имеющего емкостной накопитель в виде коаксиальной формирующей линии, заряжаемой трансформатором Тесла с разомкнутым магнитным сердечником, встроенный в изоляционный зазор линии; коммутация цепи зарядов и разряда емкости формирующей линии осуществляется управляемым трехэлектродным газовым разрядником с тригатронным запуском.

В источнике 1) указаны ссылки на дополнительные источники 2) и 3). В источнике 2) подробно описана конструкция генератора со схемой коммутации. В источнике 3) описаны конструкция и тригатронный запуск трехэлектродного газового разрядника, на управляющий электрод которого, размещенный в рабочем электроде с нулевым потенциалом, подается запускающий импульс напряжения положительной полярности.

Генератор импульсов высокого напряжения - прототип для второго варианта изобретения - содержит первый импульсный трансформатор (трансформатор Тесла) с разомкнутым магнитопроводом, встроенный в коаксиальную формирующую линию, причем внешняя часть магнитопровода размещена вблизи или непосредственно на внешнем проводнике формирующей линии, а внутренняя совмещена с внутренним проводником формирующей линии, первичная обмотка трансформатора расположена вблизи внешнего проводника формирующей линии и соединена с ним одним концом, параллельно первичной обмотке трансформатора включены последовательно соединенные коммутирующий элемент и первый накопительный конденсатор, контакты которого являются входом генератора, вторичная обмотка первого импульсного трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками формирующей линии и соединена одним концом с внутренним, другим - с внешним проводниками формирующей линии, емкость между проводниками формирующей линии играет роль второго накопительного конденсатора, внутренний проводник формирующей линии является высокопотенциальным рабочим электродом управляемого трехэлектродного разрядника, к которому непосредственно подведено высокое отрицательное напряжение с емкости формирующей линии, другой рабочий электрод разрядника (электрод с нулевым потенциалом) является выходным контактом генератора, управляющий электрод этого разрядника размещен в электроде с нулевым потенциалом и соединен со схемой подачи на разрядник запускающего импульса положительной полярности.

Особенностью генератора - прототипа второго варианта изобретения - является то, что используемая в нем схема подачи на управляемый разрядник запускающего импульса не синхронизирована с цепью заряда второго накопительного конденсатора - емкости формирующей линии. Это затрудняет обеспечение требуемого соответствия между моментом достижения на втором накопительном конденсаторе максимального значения напряжения и моментом запуска разрядника, обуславливает нестабильность момента срабатывания разрядника, особенно в процессе эксплуатации генератора. Вследствие этого рассматриваемый генератор имеет следующие недостатки.

Изменение в генераторе-прототипе второго варианта изобретения момента срабатывания разрядника в том случае, когда этот момент времени наступает еще в процессе заряда второго накопительного конденсатора (емкости формирующей линии), приводит к соответствующему изменению амплитуды выходного импульса генератора.

Срабатывание разрядника через некоторое время после достижения напряжением на втором накопительном конденсаторе максимума напряжения (т.е. по окончании заряда емкости формирующей линии) увеличивает время воздействия высокого напряжения на изоляцию высоковольтных элементов генератора и при работе на высоких напряжениях, близких к предельно допустимым для изоляции, приводит к пробою изоляции, выходу генератора из строя. Т.е. генератор обладает пониженной надежностью работы при повышенных напряжениях или требует ограничения на величину высокого выходного напряжения. Отсутствует возможность реализации надежной работы на высоких напряжениях, близких к предельно допустимым для изоляции.

Указанные обстоятельства вызывают нестабильность амплитуды импульсов и невозможность реализации в прототипе максимально возможной амплитуды выходных импульсов при нормальной надежности работы генератора.

Задачей изобретения по второму варианту является улучшение эксплуатационных качеств генератора путем повышения амплитуды и стабильности величины амплитуды выходных импульсов при одновременном повышении надежности работы.

Для решения указанной задачи по второму варианту изобретения в генераторе импульсов высокого напряжения, содержащий первый импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, встроенный в коаксиальную формирующую линию, причем внешняя часть магнитопровода размещена вблизи или непосредственно на внешнем проводнике формирующей линии, а внутренняя совмещена с внутренним проводником формирующей линии, первичная обмотка трансформатора расположена вблизи внешнего проводника формирующей линии и соединена с ним одним концом, параллельно первичной обмотке трансформатора включены последовательно соединенные коммутирующий элемент и первый накопительный конденсатор, контакты которого являются входом генератора, вторичная обмотка первого импульсного трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками формирующей линии и соединена одним концом с внутренним, другим - с внешним проводниками формирующей линии, внешний проводник формирующей линии соединен или является одним из рабочих электродов управляемого трехэлектродного разрядника, имеющего управляющий электрод, другой рабочий электрод разрядника и внешний проводник формирующей линии являются выходными контактами генератора, введен узел отбора мощности высокого напряжения, содержащий обмотку, индуктивно связанную со вторичной обмоткой первого импульсного трансформатора, второй импульсный трансформатор с насыщающимся сердечником, третий импульсный трансформатор, второй и третий конденсаторы, дополнительный коммутирующий элемент и диод, при этом параллельно обмотке индуктивной связи со вторичной обмоткой первого импульсного трансформатора включены последовательно соединенные второй конденсатор и первичная обмотка второго импульсного трансформатора, параллельно последовательно соединенным второму конденсатору и первичной обмотке второго импульсного трансформатора включены последовательно соединенные дополнительный коммутирующий элемент и первичная обмотка третьего импульсного трансформатора, свободные концы последовательно соединенных вторичной обмотки второго импульсного трансформатора и диода соединены с управляющим входом дополнительного коммутирующего элемента, параллельно вторичной обмотке третьего импульсного трансформатора включен третий конденсатор, одна из точек их соединения соединена с точкой соединения между собой концов первичных обмоток второго и третьего импульсных трансформаторов и с внутренним проводником формирующей линии, а другая - с управляющим электродом трехэлектродного разрядника, причем управляющий электрод этого разрядника встроен в высокопотенциальный электрод разрядника, обмотка индуктивной связи со вторичной обмоткой первого импульсного трансформатора конструктивно расположена в пространстве между внешним и внутренним проводниками формирующей линии, внутренний проводник линии выполнен полым и в этой полости размещены все остальные элементы указанного узла отбора мощности.

Кроме того, в генератор введена индуктивность, в частности, переменная, включенная последовательно в цепь обмотки, индуктивно связанной со вторичной обмоткой первого импульсного трансформатора.

Наконец, в генератор введен двухэлектродный разрядник, включенный между выходным контактом узла отбора мощности высокого напряжения и управляющим электродом трехэлектродного разрядника.

Введение в прототип второго варианта изобретения узла отбора мощности высокого напряжения в предложенном виде обеспечивает срабатывание разрядника в выбираемый разработчиком схемы момент времени как непосредственно перед достижением максимального напряжения на втором накопительном конденсаторе, так и непосредственно после или в промежуточные между указанными моменты времени путем установления требуемой постоянной времени цепи заряда второго конденсатора. Это является новым техническим результатом предложенного технического решения и свидетельствует о соответствии его критерию изобретательского уровня.

Выбором постоянной времени заряда второго конденсатора устанавливают момент срабатывания разрядника непосредственно перед или прямо в момент достижения напряжением на емкости формирующей линии максимального значения напряжений. В результате сокращается время воздействия высокого напряжения на изоляцию генератора, повышается надежность его работы и обеспечивается реализация максимально высокого выходного напряжения для используемого вида изоляции, то-есть увеличивается амплитуда выходного напряжения при повышении надежности работы генератора.

Наличие индуктивной связи между цепью разряда первого накопительного конденсатора и цепью заряда второго конденсатора повышает постоянство временных соотношений между зарядом емкости формирующей линии и зарядом второго конденсатора, так как цепь заряда емкости линии тоже индуктивно связана с цепью разряда первой накопительной емкости. В то же время заряд емкости формирующей линии определяет нарастание напряжения на ней до требуемой величины, по достижении которой должен начаться разряд этой емкости через разрядник и нагрузку, а заряд второго конденсатора определяет момент срабатывания разрядника. Указанная требуемая величина напряжения на емкости линии равна величине амплитуды импульса генератора. Т.е. постоянство вышеуказанных временных соотношений обеспечивает стабильность величины амплитуды выходного импульса генератора.

Размещение управляющего электрода разрядника генератора в высокопотенциальном электроде этого разрядника обеспечивает форсирование процесса искрообразования и, соответственно, уменьшение длительности фронта выходного импульса.

Кроме того, введение в генератор индуктивности (в частности переменной), включенной последовательно в цепь первой обмотки, обеспечивает возможность установки (или регулировки) необходимого момента времени срабатывания разрядника в процессе настройки генератора.

Наконец, введение в генератор двухэлектродного разрядника, включенного между выходным контактом узла отбора мощности высокого напряжения и управляющим трехэлектродного разрядника, приводит к уменьшению длительности фронта импульса, запускающего управляемый разрядник, ускорению его запуска и к соответствующему уменьшению фронта выходного импульса генератора.

Единство изобретательского замысла первого и второго вариантов изобретения обусловлено применением в них одного и того же узла отбора мощности высокого напряжения для обеспечения срабатывания управляемого разрядника с достижением одинакового нового технического результата. При этом оба варианта изобретения обеспечивают совпадающий технический эффект в части повышения рабочего значения амплитуды выходных импульсов при одновременном повышении надежности работы генератора.

Изобретение поясняется чертежами:
На фиг. 1 представлена электрическая схема первого варианта изобретения при параллельном соединении второго накопительного конденсатора со вторичной обмоткой первого импульсного трансформатора: на фиг. 2 - выполнение части электрической схемы первого варианта изобретения при последовательном соединении второго накопительного конденсатора со вторичной обмоткой первого импульсного трансформатора; на фиг. 3 - электрическая схема второго варианта изобретения; на фиг. 4 - эпюры напряжений (токов) на элементах схемы, где t - время, U_x (I_x) - напряжение (ток) на элементе (через элемент) с номером x схемы генератора. U_ф.л - напряжение на емкости формирующей линии генератора по второму варианту изобретения. U_к-а - напряжение между катодом и анодом во втором варианте изобретения.

Генератор импульсов высокого напряжения по первому варианту изобретения (фиг. 1) содержит основной первый импульсный трансформатор 1 с сердечником 2 (трансформатор Тесла). Параллельно первичной обмотке 3 трансформатора 1 включены последовательно соединенные первый накопительный конденсатор 4 и коммутирующий элемент 5 (управляемый тиристор). Контакты конденсатора 4 являются входными контактами 6 и 7 генератора. Вторичная обмотка 8 первого импульсного трансформатора 1 в точках схемы 9 и 10 соединена параллельно со вторым накопительным конденсатором 11. Входной контакт 6 и точка схемы 9 соединены с корпусом генератора. Точка схемы 10 соединена с высокопотенциальными рабочими электродами 12 и 13 управляемых трехэлектродных разрядников 14 и 15, другие рабочие электроды 16 и 17 которых в точке схемы 18 соединены с выходным контактом 19 генератора. Выходной контакт 20 генератора соединен с точкой схемы 9. С выходом генератора соединена нагрузка 21, включенная, таким образом, параллельно второму накопительному конденсатору 11 через рабочие контакты разрядников 14 и 15.

Узел 22 отбора мощности высокого напряжения содержит первую обмотку 23, индуктивно соединенную через сердечник 2 с первичной обмоткой 3 первого импульсного трансформатора 1. Параллельно первой обмоткой 23 включены последовательно соединенные четвертый конденсатор 24, вторая обмотка 25 и переменная индуктивность 26. Параллельно последовательно соединенным четвертому конденсатору 24 и второй обмотке 25 включены последовательно соединенные дополнительный коммутирующий элемент - управляемый тиристор 27 и первичная обмотка 28 второго импульсного трансформатора 29 (также трансформатора Тесла). Свободные концы последовательно соединенных третьей обмотки 30 и диода 31 соединены с управляющим входом (контакты 32 и 33) дополнительного коммутирующего элемента (тиристора) 27, а параллельно вторичной обмотке 34 второго импульсного трансформатора 29 включен третий конденсатор 35. Одна точка 36 соединения между собой вторичной обмотки 34 и конденсатора 35 соединена с точкой 37 соединения концов первой обмотки 23, второй обмотки 25 и первичной обмотки 28 импульсного трансформатора 29. Указанные точки 36 и 37 соединены также с вышеуказанной точкой 10 схемы. Точка 38 соединения между собой других концов вторичной обмотки 34 второго импульсного трансформатора 29 и конденсатора 35 соединена с рабочим электродом 39 двухэлектродного разрядника 40. Второй рабочий электрод 41 разрядника 40 является выходным контактом 42 узла 22 отбора мощности высокого напряжения и соединен с управляющими электродами 43 и 44 разрядников 14 и 15.

Вторая обмотка 25 и третья обмотка 30 образуют импульсный повышающий трансформатор 80 с насыщающимся сердечником 81.

Частью узла 22 отбора мощности высокого напряжения является блок 47 (показан штрих-пунктиром на фиг. 1 и 3), в который включены элементы генератора с номерами 24-41 и 45-46, конструктивно не связанные с другими элементами генератора. В блок 47 не входит первая обмотка 23, конструктивно связанная с сердечником 2 импульсного трансформатора 1. Таким образом, блок 47 может быть конструктивно отнесен от других элементов схемы генератора, что используется во втором варианте изобретения. Выход 42 блока 22 является также выходом блока 47.

Двухэлектродный разрядник 40 может отсутствовать в рассмотренной схеме (фиг. 1) генератора, переменная индуктивность 26 может быть исключена из схемы или заменена на постоянную с требуемой величиной индуктивности. Генератор может иметь только один из управляемых трехэлектродных разрядников (14 и 15) или иметь их более трех. Для согласования режимов работы диода 31 и управляемого тиристора 27 в схеме показаны необязательные элементы: между контактами 32, 33 тиристора 27 включен резистор 45, а между диодом 31 и контактом 32 этого тиристора - резистор 46.

В другом исполнении первого варианта изобретения (фиг. 2) второй накопительный конденсатор 48 включен последовательно со вторичной обмоткой 8 импульсного трансформатора 1 и нагрузкой 21. Параллельно обмотке 8 включен управляемый разрядник 49 с двумя рабочими контактами 50 и 51. Управляющий контакт 52 разрядника 49 соединен с выходным контактом 42 узла 22 отбора мощности высокого напряжения. Параллельно обмотке 8 может быть включено несколько разрядников аналогично разряднику 49.

В качестве каждого из управляемых трехэлектродных разрядников 14, 15 или 49 может быть использован, например, тригатронный разрядник, описанный в вышеуказанном источнике 3). Управляющий электрод 43, 44 или 52 каждого из указанных разрядников при этом встроен в соответствующий высокопотенциальный рабочий электрод 12, 13 или 50.

При необходимости с корпусом генератора может быть соединена не точка 9 на фиг. 1, 2, а точка 10.

Во втором варианте изобретения, показанном на фиг. 3, генератор импульсов высокого напряжения содержит размещенный в цилиндрическом металлическом корпусе 53 первый импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, встроенный в коаксиальную формирующую линию. Внешним проводником формирующей линии является корпус 53 генератора. Внутренний проводник 54 формирующей линии размещен по оси корпуса 53 с помощью изоляторов 55 и 56. Емкость формирующей линии между ее внешним 53 и внутренним 54 проводниками играет роль второго накопительного конденсатора 11 в первом варианте изобретения.

Внешняя часть 57 разомкнутого магнитопровода размещена на внутренней поверхности внешнего проводника 53 формирующей линии, а внутренняя часть 58 расположена на внешней поверхности внутреннего проводника 54 формирующей линии. Первичная обмотка 59 первого импульсного трансформатора расположена вблизи внутренней поверхности внешнего проводника 53 формирующей линии и соединена с ним одним концом (соединение на чертеже не показано). Другой конец первичной обмотки 59 через высоковольтный ввод 60 соединен с выводом коммутирующего элемента 5, второй вывод которого через первый накопительный конденсатор 4 соединен с корпусом 53 генератора. Каждая из обкладок конденсатора 4 соединена с одной из клемм 6 и 7, являющихся входом генератора. Вторичная обмотка 61 первого импульсного трансформатора размещена между внешним 53 и внутренним 54 проводниками формирующей линии, в данном примере - на конусном каркасе (на чертеже не показан). Обмотка 61 соединена одним концом с внутренним 53, другим - с внешним проводником 54 линии (на чертеже не показано). Внутренняя полость 62 генератора может быть заполнена диэлектрической жидкостью, например, трансформаторным маслом (на чертеже не обозначено).

Внешняя 57 и внутренняя 58 части разомкнутого магнитопровода, первичная обмотка 59 первого импульсного трансформатора и обмотка 23 имеют цилиндрическую форму, а вторичная обмотка 61 - коническую, показаны эти элементы на фиг. 3 условно, чтобы не усложнять чертеж
Выходящий за пределы полости 62 конец внутреннего проводника формирующей линии является высокопотенциальным рабочим электродом 63 управляемого трехэлектродного газового разрядника 64. Металлический корпус 65 разрядника 64 соединен фланцем 66 с корпусом 53 генератора. Другой рабочий электрод 67 разрядника 64 и корпус 53 (65) являются выходными контактами генератора. Нагрузкой генератора в рассматриваемом применении является сопротивление между катодом 68 и анодом 69, находящимися в вакуумируемой полости 70, образованной металлическим кожухом 71, закрепленным на корпусе 65 разрядника 64. Катод 68 является продолжением рабочего электрода 67 разрядника 64, входящим в вакуумируемую полость 70 и закрепленным в ней с помощью изоляторов 72 и 73. Анод 69 выполнен из металлической фольги для вывода образующегося на катоде пучка электронов в атмосферное пространство для его последующего использования. Генератор с указанной нагрузкой представляет собой импульсный ускоритель электронов.

Во внутреннем проводнике 54 формирующей линии выполнена полость 74 (фиг. 3). В этой полости размещен показанный на фиг. 1 блок 47, являющийся частью узла 22 отбора мощности высокого напряжения. В высокопотенциальном рабочем электроде 63 разрядника 64 размещен управляющий электрод 75, соединенный с выходом 42 блока 47. На внешней поверхности внутреннего проводника 54 формирующей линии размещена входящая в узел 22 первая обмотка 23, одним концом соединенная с этим проводником (не показано). Другой конец обмотки 23 через изоляционный ввод 76 соединен проводником 77 с индуктивностью 26 блока 47 (фиг. 3 и 1). Точка 37 блока 47 проводником 78 соединена с внутренним проводником 54 формирующей линии. В рассмотренной конструкции второго варианта генератора электрод 54 формирующей линии электрически эквивалентен соединенным между собой точкам 37 и 10 схемы первого варианта, показанной на фиг. 1. Внутренняя 58 и внешняя 57 части магнитопровода во втором варианте изобретения играют роль сердечника 2 первого варианта.

Для сообщения полости 62 корпуса 53 с атмосферой служат патрубки 78. Узлы продувки рабочего газа в разряднике 64 и вакуумирования полости 70 на чертеже не показаны. Обмотка 23 может быть расположена в любом месте по длине внутреннего проводника 54 формирующей линии.

Описанный генератор импульсов высокого напряжения по первому или второму варианту может быть использован в качестве источника питания газоразрядного лазера импульсно-периодического действия. При этом в первом варианте изобретения в качестве газоразрядной камеры лазера используется один из управляемых разрядников (14 или 15 на фиг. 1 или 49 на фиг. 2), выходные контакты 19 - 20 закорачиваются. Во втором варианте изобретения (фиг. 3) роль газоразрядной камеры лазера в таком случае играет управляемый разрядник 64, а электрод 67 соединен с корпусом 53 генератора. В указанных случаях электродам и корпусу управляемого разрядника придается соответствующая форма, в корпусе разрядника выполняется окно для вывода излучения (не показано). При этом нагрузка 21 генератора является нулевой и роль фактической нагрузки генератора играет управляемый разрядник.

Генератор по первому варианту (фиг. 1) работает следующим образом.

К моменту времени t₁ (фиг. 4) первый накопительный конденсатор 4 заряжен напряжением, подаваемым на вход генератора с первичного источника (не показан). Коммутирующий элемент 5 (управляемый тиристор) при этом закрыт. В момент времени t₁ коммутирующий элемент 5 открывается сигналом от схемы управления (не показана), конденсатор 4 начинает разряжаться через первичную обмотку 3 первого импульсного повышающего трансформатора Тесла 1, напряжение U₄ на конденсаторе 4 уменьшается.

Одновременно начинается заряд второго накопительного конденсатора 11, включенного параллельно вторичной обмотке 8 того же трансформатора 1 (напряжение U₁₁).

В это же время начинается резонансный заряд четвертого конденсатора 24 (U₂₄) в результате действия электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в первой обмотке 23 трансформатора 1. Появляется и начинает нарастать ток заряда (I₂₄) конденсатора 24, протекающий через обмотку 23 и обмотку 25 повышающего трансформатора 80 с насыщающимся сердечником 81. Ток I₂₄, достигнув максимального положительного значения, затем уменьшается, достигая нулевого значения в момент времени t₂. Во время этого процесса четвертый конденсатор 24 заряжается до максимального значения, а затем, в момент времени t₂, начинает разряжаться через индуктивность 26 и обмотку 23. Ток I₂₄ при этом меняет свое направление, переходя через нулевое значение.

В момент времени t₂, при изменении направления тока I₂₄, на вторичной обмотке 30 трансформатора 80 с насыщающимся сердечником 81 возникает положительный импульс напряжения, передающийся через диод 31 на резистивный делитель напряжения 46 и 45. На резисторе 45 выделяется положительный импульс напряжения U₄₅, открывающий управляемый тиристор 27. Начинается разряд конденсатора 24 через тиристор 27 и первичную обмотку 28 второго импульсного повышающего трансформатора Тесла 29. При этом под действием ЭДС вторичной обмотки 34 трансформатора 29 начинается заряд третьего конденсатора 35 (U₃₅). По достижении напряжением U₃₅ в момент времени t₃ величины, достаточной для срабатывания двухэлектродного разрядника 40, последний срабатывает и на выходе 42 блока 47 (и, соответственно, узла 22) возникает импульс напряжения U₄₂. По окончании разряда конденсатора 24 тиристор 27 возвращается в закрытое состояние.

Повышающий трансформатор 80 обеспечивает при небольшом токе разряда конденсатора 24 формирование в момент времени t₂ положительного импульса напряжения на вторичной обмотке 30, достаточного для надежного открывания тиристора 27. Использование насыщающегося сердечника 81 ограничивает амплитуду отрицательного импульса (не показан), возникающего на вторичной обмотке 30 трансформатора 80 в момент времени t₁. Это предотвращает возможный в противном случае пробой диода 31 и тиристора 27, находящихся в закрытом состоянии.

К моменту времени t₃ второй накопительный конденсатор 11 уже заряжен (U₁₁) до максимального значения или достаточно близкого к нему, что определяется выбором временных соотношений между вышеописанными процессами при расчете и конструировании генератора. Между рабочими электродами 12 и 16 управляемого разрядника 14 (и между электродами 13 и 17 параллельно включенного разрядника 15) действует высокое напряжение U₁₁. Импульс напряжения U₃₅ с выхода 42 узла 22 появляется на управляющем электроде 43 разрядника 14 (и электроде 44 разрядника 15) и вызывает срабатывание управляемого разрядника 14 (и 15). Второй накопительный конденсатор 11 разряжается через разрядник 14 (и 15) на нагрузку 21, на клеммах 19 и 20 и нагрузке появляется выходной импульс генератора U₂₁.

По окончании разряда первого накопительного конденсатора 4 управляемый тиристор 5 переходит в закрытое состояние, после чего снова производится заряд конденсатора 4 (на фиг. 4 не показано) и схема генератора готова к новому циклу работы.

В исполнении генератора, показанном на фиг. 2, т.е. при включении второго накопительного конденсатора 48 последовательно со вторичной обмоткой 8 импульсного трансформатора 1, заряд этого конденсатора производится через нагрузку 21 генератора, а разряд - через разрядник 49 и нагрузку 21, обеспечивая появление выходного импульса генератора. Полярность напряжения на нагрузке 21 при этом противоположна показанной на фиг. 1 и 4.

При отсутствии в схеме генератора двухэлектродного разрядника 40 точка 38 схемы соединена с выходом 42 блока 47 и узла 22. В этом случае на управляющих электродах разрядников 14, 15 (фиг. 1) и разрядника 49 (фиг. 2) действует непосредственно напряжение U₃₅ с конденсатора 35 и вызывает срабатывание этих разрядников по достижении указанным напряжением заданной величины.

Повышением величины переменной индуктивности 26 обеспечивают увеличение времени заряда четвертого конденсатора 24 и отодвигают начало его разряда и момент перехода значения тока I₂₄ через нулевое значение. Соответственно сдвигается вправо момент появления импульса напряжения U₄₅ ( вместо t₂ на фиг. 4, сдвинутые импульсы показаны пунктиром). Это вызывает соответствующее перемещение ( вместо t₃) момента времени появления импульса напряжения U₄₂ на выходе узла 22, а соответственно, момента срабатывания управляемых разрядников (14, 15 49 и 64) и момента появления выходного импульса генератора (U₂₁ и U_к-а). При уменьшении величины индуктивности 26 время заряда емкости 24 уменьшается, что вызывает соответственно более раннее срабатывание управляемого разрядника. Так производится регулировка необходимого момента времени срабатывания управляемых разрядников в процессе настройки генератора.

Генератор по второму варианту исполнения (фиг. 3) работает аналогично вышеописанному, с учетом следующих особенностей. Разряд первого накопительного конденсатора 4 на первичную обмотку 59 первого импульсного повышающего трансформатора Тесла обеспечивает заряд емкости формирующей линии (U_ф.л на фиг. 4) и заряд емкости 24 в блоке 47 через первую обмотку 23, расположенную на внутреннем электроде 54 формирующей линии. Импульс напряжения U₄₂ с выхода 42 блока 47 подается на управляющий электрод 75 разрядника 64 и открывает его, вызывая разряд емкости формирующей линии через рабочие электроды 63 и 67 разрядника 64 на нагрузку генератора, которой является в данном случае вакуумированный промежуток катод 68 - анод 69. Напряжение U_к-а является при этом выходным напряжением генератора. Наличие этого импульса напряжения вызывает появление на катоде 68 пучка электронов (не показан), который через фольговый анод 69 выводится в атмосферное пространство для использования.

Генератор импульсов высокого напряжения (варианты) относится к области полученных мощных высоковольтных импульсов напряжения и может быть использован в электрофизической аппаратуре, в частности, в технике формирования сильноточных импульсов пучков электронов. Технической задачей изобретения является улучшение эксплуатационных качеств генератора путем повышения амплитуды выходных импульсов и КПД при одновременном повышении надежности работы. Генератор импульсов по первому варианту содержит первый импульсный трансформатор, коммутирующий элемент, первый накопительный конденсатор, второй накопительный конденсатор, нагрузку, трехэлектродный управляемый разрядник, узел отбора мощности высокого напряжения, включающий первую обмотку, третий конденсатор, вторую и третью обмотки, диод, дополнительный коммутирующий элемент, второй импульсный трансформатор и четвертый конденсатор. Генератор импульсов высокого напряжения по второму варианту содержит также коаксиальную формирующую линию, имеет конструктивные особенности выполнения. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Генератор импульсов высокого напряжения, содержащий первый импульсный трансформатор, параллельно первичной обмотке которого включены последовательно соединенные коммутирующий элемент и первый накопительный конденсатор, выводы которого являются входом генератора, параллельно вторичной обмотке первого импульсного трансформатора включен второй накопительный конденсатор, одна из точек соединения между собой вторичной обмотки первого импульсного трансформатора и второго накопительного конденсатора соединена с высокопотенциальным рабочим электродом трехэлектродного управляемого разрядника, низкопотенциальный рабочий электрод которого и другая точка соединения между собой вторичной обмотки первого импульсного трансформатора и второго накопительного конденсатора являются выходом генератора, при этом управляющий электрод трехэлектродного управляемого разрядника соединен с выходом узла отбора мощности высокого напряжения, включающего первую обмотку, третий конденсатор, вторую и третьи обмотки, индуктивно связанные между собой в присутствии сердечника, и диод, последовательно соединенный с третьей обмоткой, отличающийся тем, что в него введены дополнительный коммутирующий элемент, второй импульсный трансформатор и четвертый конденсатор, при этом первая обмотка индуктивно связана непосредственно с первичной обмоткой первого импульсного трансформатора, сердечник индуктивно связанных между собой второй и третьей обмоток выполнен насыщающимся, первый вывод первой обмотки соединен с первым выводом четвертого конденсатора, второй вывод первой обмотки соединен с первым выводом второй обмотки, вторые выводы указанных четвертого конденсатора и второй обмотки соединены между собой, параллельно с последовательно соединенными четвертым конденсатором и второй обмоткой включены последовательно соединенные дополнительный коммутирующий элемент и первичная обмотка второго импульсного трансформатора, последовательно соединенные третья обмотка и диод соединены с управляющим входом дополнительного коммутирующего элемента, а параллельно вторичной обмотке второго импульсного трансформатора включен третий конденсатор, точки соединения вторичной обмотки второго импульсного трансформатора и третьего конденсатора являются выходом узла отбора мощности высокого напряжения. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что управляющий электрод трехэлектродного управляемого разрядника встроен в высокопотенциальный рабочий электрод этого разрядника. 3. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в него введена катушка индуктивности, а первый вывод первой обмотки соединен с первым выводом четвертого конденсатора через указанную катушку индуктивности. 4. Генератор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в него введен двухэлектродный разрядник, а управляющий электрод трехэлектродного управляемого разрядника соединен с выходом узла отбора мощности высокого напряжения через указанный двухэлектродный разрядник. 5. Генератор импульсов высокого напряжения, содержащий первый импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, встроенный в коаксиальную формирующую линию, причем внешняя часть магнитопровода размещена вблизи или непосредственно на внешнем проводнике коаксиальной формирующей линии, а внутренняя совмещена с внутренним проводником коаксиальной формирующей линии, первичная обмотка первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом расположена вблизи внешнего проводника коаксиальной формирующей линии и соединена с ним одним концом, параллельно первичной обмотке первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом включены последовательно соединенные коммутирующий элемент и первый накопительный конденсатор, выводы которого являются входом генератора, вторичная обмотка первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом размещена между внешним и внутренним проводниками коаксиальной формирующей линии и соединена одним концом с внутренним, другим - с внешним проводником коаксиальной формирующей линии является высокопотенциальным рабочим электродом трехэлектродного управляемого разрядника, имеющего управляющий электрод, другой рабочий электрод этого разрядника и внешний проводник формирующей линии являются выходом генератора, отличающийся тем, что в генератор введен узел отбора мощности высокого напряжения, содержащий обмотку, индуктивно связанную с первичной обмоткой первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом, второй импульсный трансформатор с насыщающимся сердечником, третий импульсный трансформатор, второй и третий конденсаторы, дополнительный коммутирующий элемент и диод, при этом первый вывод обмотки, индуктивно связанной с первичной обмоткой первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом, соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод обмотки, индуктивно связанной с первичной обмоткой первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом, соединен с первым выводом первичной обмотки второго импульсного трансформатора, вторые выводы указанных второго конденсатора и первичной обмотки второго импульсного трансформатора соединены между собой, параллельно с последовательно соединенными вторым конденсатором и первичной обмоткой второго импульсного трансформатора включены последовательно соединенные дополнительный коммутирующий элемент и первичная обмотка третьего импульсного трансформатора, последовательно соединенные вторичная обмотка второго импульсного трансформатора и диод соединены с управляющим входом дополнительного коммутирующего элемента, параллельно вторичной обмотке третьего импульсного трансформатора включен третий конденсатор, первая точка соединения между собой вторичной обмотки третьего импульсного трансформатора и третьего конденсатора соединена с точкой соединения между собой концов первичных обмоток второго и третьего импульсных трансформаторов и с внутренним проводником коаксиальной формирующей линии, вторая точка соединения между собой вторичной обмотки третьего импульсного трансформатора и третьего конденсатора соединена с управляющим электродом трехэлектродного управляемого разрядника, причем управляющий электрод этого разрядника встроен в его высокопотенциальный рабочий электрод, обмотка, индуктивно связанная с первичной обмоткой первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом, конструктивно расположена в пространстве между внешним и внутренним проводниками коаксиальной формирующей линии, внутренний проводник коаксиальной формирующей линии выполнен полым и в этой полости размещены все остальные элементы указанного узла отбора мощности. 6. Генератор по п.5, отличающийся тем, что в него введена катушка индуктивности, а первый вывод обмотки, индуктивно связанной с первичной обмоткой первого импульсного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом, соединен с первым выводом второго конденсатора через указанную катушку индуктивности. 7. Генератор по п.5 или 6, отличающийся тем, что в него введен двухэлектродный разрядник, а вторая точка соединения между собой вторичной обмотки третьего импульсного трансформатора и третьего конденсатора соединена с управляющим электродом трехэлектродного управляемого разрядника через указанный двухэлектродный разрядник.