ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1998 года по МПК H03K6/00 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования коротких высоковольтных импульсов в устройствах сильноточной электроники.

Из предшествующего уровня техники известен генератор высоковольтных импульсов (Кремнев В. В. и Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск. Наука, 1987, с. 54 - 55), включающий линию передачи, длина которой равна L, а волновое сопротивление ρ , источник постоянного напряжения, подключенный через сопротивление R >> ρ к одному концу линии передачи, и активную согласованную нагрузку R_н = ρ , подключенную через нормально разомкнутый ключ к второму концу линии передачи. В известном генераторе высоковольтных импульсов длительность импульса на нагрузке равна двойному пробегу электромагнитной волны по линии передачи, а амплитуда импульса напряжения на нагрузке составляет половину зарядного напряжения. В согласованном режиме вся энергия, накопленная в линии передачи за импульс, передается в нагрузку.

Недостаток этого генератора высоковольтных импульсов заключается в том, что он не позволяет получить импульсы, амплитуда которых превышает половину величины зарядного напряжения (U_з).

Известен также генератор высоковольтных импульсов (Булан В.В. и Ямпольский И.Р. Многоступенчатый высоковольтный генератор для исследований по УТС. Препринт ИАЭ им. И.В.Курчатова, ИАЭ-5337/7. - М., 1991, с. 2 - 3, 19), взятый в качестве прототипа и содержащий n-последовательно состыкованных между собой секций, средство для зарядки и нагрузку, причем каждая секция содержит двойную формирующую линию, образованную коаксиально расположенным внешним электродом, промежуточным электродом и внутренним электродом. Кроме того, двойная формирующая линия содержит по крайней мере один коммутатор, включенный между промежуточным электродом и внешним электродом, а двойные формирующие линии смежных секций отделены друг от друга отрезками линий, образованными участками внешнего и внутреннего электродов.

Недостаток этого генератора высоковольтных импульсов заключается в том, что он имеет сложную конструкцию. Кроме того, используемая в известном генераторе двойная формирующая линия не позволяет получить импульс с амплитудой, превышающей величину зарядного напряжения, величина которого ограничивается электрической прочностью диэлектрика внутренней коаксиальной линии при отрицательной зарядке промежуточного электрода.

В основу изобретения поставлена задача разработать генератор высоковольтных импульсов, конструктивное выполнение двойной коаксиальной формирующей линии которого обеспечило бы увеличение амплитуды импульса на нагрузке, при той же электрической прочности диэлектрика.

Поставленная задача решена тем, что в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем состыкованные между собой первую коаксиальную линию передачи, образованную первым участком внешнего электрода и первым участком внутреннего электрода, двойную коаксиальную формирующую линию, образованную вторым участком внешнего электрода, промежуточным электродом и вторым участком внутреннего электрода, вторую коаксиальную линию передачи, образованную третьим участком внешнего и третьим участком внутреннего электродов, нагрузку, подключенную к второй коаксиальной линии, средства для зарядки двойной формирующей линии и по крайней мере один коммутатор, первый вывод которого соединен с промежуточным электродом, согласно изобретению второй вывод коммутатора соединен с вторым участком одного из электродов, расположенных коаксиально промежуточному электроду, при этом участок коаксиальной линии, расположенный между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с первой коаксиальной линией, выполнен длиной, равной T₁, выраженной во временных единицах, участок коаксиальной линии, расположенный между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с второй коаксиальной линией, выполнен с неоднородной структурой и длиной T₀ = 2T₁, а коаксиальная линия двойной формирующей линии, не содержащая коммутатор, выполнена длиной T₀, выраженной во временных единицах. Целесообразно, чтобы второй вывод коммутатора был соединен с вторым участком центрального электрода, а коаксиальные линии двойной формирующей линии были выполнены с волновыми сопротивлениями, удовлетворяющими следующим соотношениям:

ρ₂= (1,35-1,44)ρ₀,

Z = ρ₀+ρ₂,
где
ρ₁ - волновое сопротивление участка коаксиальной линии между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с первой коаксиальной линией передачи, Ом;
ρ₂ - волновое сопротивление участка коаксиальной линии между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с второй коаксиальной линией передачи, Ом;
ρ₀ - волновое сопротивление коаксиальной линии, образованной вторым участком внешнего электрода и промежуточным электродом, Ом;
L - индуктивность коммутатора, Гн;
Z - сопротивление нагрузки, Ом.

Выгодно, чтобы волновое сопротивление первой коаксиальной линии передачи было чисто индуктивным и превышало сопротивление нагрузки. Такое выполнение генератора высоковольтных импульсов обеспечивает увеличение (до 50%) амплитуды импульса на нагрузке при той же электрической прочности диэлектрика за счет того, что дополнительно к двум волнам, распространяющимся в двойной коаксиальной формирующей линии в направлении к нагрузке, с помощью отрезка линии длиной T₁, выраженной во временных единицах, формируется дополнительная волна, распространяющаяся от плоскости, в которой расположены коммутаторы в противоположном направлении. При этом время, необходимое для достижения этой волной холостого конца линии длиной T₁, в два раза меньше времени, необходимого для достижения основными волнами концов коаксиальных линий, связанных с нагрузкой. В результате после отражения дополнительной волны от холостого конца линии она достигнет плоскости, в которой расположены коммутаторы, одновременно с моментом достижения основными волнами концов линий, связанных с нагрузкой, и индуктивность коммутаторов становится нагрузкой для дополнительной волны. Иными словами происходит сложение токов на индуктивности, а следовательно, рост напряжения.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предпочтительного варианта выполнения генератора положительных высоковольтных импульсов; на фиг. 2 - выходной импульс напряжения при согласованном режиме; на фиг. 3 - выходной импульс напряжения при совпадении фронтов основных и дополнительной волн.

Генератор высоковольтных импульсов содержит внешний электрод 1, промежуточный электрод 2, внутренний электрод 3, коммутаторы 4, установленные по окружности между промежуточным 2 и внутренним 3 электродами на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, заряжающий конденсатор 5, соединенный через ключ 6 с промежуточным электродом 2, и нагрузку 7. Участок 8 электрода 1 и участок 9 электрода 3 образуют первую коаксиальную линию передачи, участок 10 электрода 1, промежуточный электрод 2 и участок 11 внутреннего электрода 3 образуют двойную формирующую линию, а участок 12 электрода 1 и участок 13 электрода 3 образуют вторую коаксиальную линию передачи. Двойная формирующая линия включает внешнюю коаксиальную линию, образованную участком 10 электрода 1 и промежуточным электродом 2, имеющим волновое сопротивление ρ₀ и длину T₀, выраженную во временных единицах, а также внутреннюю коаксиальную линию, образованную участком 11 электродом 3, имеющим диаметр, больший диаметра участка 9, и электродом 2. Внутренняя коаксиальная линия содержит два участка, расположенных по обе стороны от коммутаторов 4, при этом первый участок выполнен с волновым сопротивлением ρ₁ и длиной T₁, а второй участок выполнен с волновым сопротивлением ρ₂ и длиной T₀, выраженной во временных единицах. Условием согласования для стыка первого участка внутренней коаксиальной линии и первой коаксиальной линии является обеспечение режима холостого хода для волн, распространяющихся в первом участке внутренней коаксиальной линии. Если длина второй коаксиальной линии передачи много меньшей T₀, то условие согласования сопротивления Z нагрузки 7 с двойной формирующей линией имеет вид Z = ρ₀+ρ₂ , при этом максимальная выходная мощность достигается при отношении ρ₂ к ρ₀ = 1,35 - 1,44.

Равенство длин внешней коаксиальной линии и второго участка внутренней коаксиальной линии обеспечивается тем, что второй участок внутренней коаксиальной линии выполнен с неоднородной структурой. Для уменьшения влияния межемкостной связи между неоднородностями впадины заполнены материалом, имеющим более низкое значение диэлектрической проницаемости.

Коммутаторы 4 (в принципе коммутатор может быть один) могут быть установлены между промежуточным 2 и внешним электродом 1. В этом случае при отрицательной полярности промежуточного электрода 2 генерируемый импульс имеет не положительную (как в выше описанном варианте выполнения генератора), а отрицательную полярность. В предложенном устройстве используются стандартные коммутаторы (Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974, с. 81 - 102) и индуктивные нагрузки.

Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом.

С помощью ключа 6 осуществляется зарядка промежуточного электрода 2 (отрицательной полярности) относительно внешнего 1 и внутреннего 3 электродов. При срабатывании коммутаторов 4 во внешней коаксиальной линии возбуждается волна E₀ (фиг. 1), распространяющаяся к нагрузке, а во внутренней коаксиальной линии возбуждаются две волны E₁ и E₂, распространяющиеся в противоположных направлениях. Через время T₁ волна E₁ достигнет стыка с первой коаксиальной линией, а через время T₀ волны E₀ и E₂ достигнут стыка с второй коаксиальной линией. Если T₁ = 0,5T₀, то волна E₁, достигнув стыка с первой коаксиальной линией, на котором обеспечивается режим холостого хода, отразится в обратном направлении и через время, равное T₀, достигнет сечения, в котором расположены коммутаторы 4, и их индуктивность становится нагрузкой для волны E₁. Таким образом, при T₁ = 0,5T₀ волна E₁ достигнет сечения, в котором расположены коммутаторы 4, одновременно с приходом волн E₀ и E₂ к стыку с второй коаксиальной линией. При правильном подборе величины индуктивности коммутаторов 4 большая часть энергии волны E₁ выделяется на индуктивности коммутаторов 4, иными словами происходит сложение токов на индуктивности, а следовательно, напряжение возрастает (фиг. 2). Действительно амплитуда импульса напряжения максимальна при , где τ_ф - длительность переднего фронта "основного" импульса напряжения, соответствующего энергии волн E₀ и E₂, поскольку сложение энергии волны E₁ с энергией волн E₀ и E₂ происходит после окончания длительности переднего фронта "основного" импульса. Увеличение амплитуды выходного импульса достигает 50%.

Длительность переднего фронта "основного" импульса зависит от индуктивности L_к коммутаторов 4 следующим образом:

Откуда получаем

Экспериментально установлено, что максимальная амплитуда импульса имеет место при .

Режим холостого хода для волны E₁ на стыке с первой коаксиальной линией обеспечивается, если волновое сопротивление первой коаксиальной линии передачи является чисто индуктивным и превышает сопротивление нагрузки. Если же , то сложение энергии волны E₁ с энергией волн E_o и E₂ происходит во время переднего фронта основного импульса (пунктирная линия на фиг. 3). В результате перед вершиной "основного" импульса имеет место всплеск напряжения. Выходной импульс приобретает сложную форму, при этом амплитуда его увеличивается на 40 - 45%. Однако в ряде случаев данная сложная форма выходного импульса может найти практическое применение. Следует отметить, что указанное выше соотношение между ρ₁ и ρ₂ является оптимальным с точки зрения достижения максимального значения амплитуды.

Характеристика выходного импульса определяется также количеством коммутаторов 4, что обусловлено искажениями фронтов волн E₁ и E₂ при преобразовании цилиндрических волн, возбуждаемых при срабатывании коммутаторов 4, в плоские волны, распространяющиеся вдоль отрезков линий.

В случае размещения коммутаторов 4 между промежуточным 2 и внешним 1 электродами работа генератора осуществляется аналогично описанному выше, с той лишь разницей, что во внешней коаксиальной линии двойной формирующей линии распространяются (после срабатывания коммутаторов) две волны E'₁ и E'₂, а во внутренней коаксиальной линии - одна волна E'₀. При отрицательной полярности промежуточного электрода выходной импульс имеет отрицательную полярность.

Таким образом, предложение позволяет получить короткие высоковольтные импульсы с амплитудой, равной 3/2U_з.

Использование: импульсная сильноточная электроника. Техническим результатом является увеличение амплитуды импульса на нагрузке. Сущность изобретения: генератор высоковольтных импульсов содержит состыкованные между собой первую коаксиальную линию передачи, образованную первым участком внешнего электрода и первым участком внутреннего электрода, двойную коаксиальную формирующую линию, образованную вторым участком внешнего электрода, промежуточным электродом и вторым участком внутреннего электрода, вторую коаксиальную линию передачи, образованную третьим участком внешнего и третьим участком внутреннего электродов, нагрузку, подключенную к второй коаксиальной линии, средства для зарядки двойной формирующей линии и по крайней мере один коммутатор, первый вывод которого соединен с промежуточным электродом, а второй вывод коммутатора соединен с вторым участком одного из электродов, расположенных коаксиально промежуточному электроду, при этом участок коаксиальной линии, расположенный между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с первой коаксиальной линией, выполнен длиной, равной T₁, выраженной во временных единицах, участок коаксиальной линии, расположенный между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с вторым коаксиальной линией, выполнен с неоднородной структурой и длиной T₀ = 2T₁, а коаксиальная линия двойной формирующей линии, не содержащая коммутатор, выполнена длиной T₀, выраженной во временных единицах. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор высоковольтных импульсов, содержащий состыкованные между собой первую коаксиальную линию передачи, образованную первым участком внешнего электрода и первым участком центрального электрода, двойную коаксиальную формирующую линию, образованную вторым участком внешнего электрода, промежуточным электродом и вторым участком центрального электрода, вторую коаксиальную линию передачи, образованную третьим участком внешнего и третьим участком центрального электродов, нагрузку, подключенную к второй коаксиальной линии, средства для зарядки двойной формирующей линии и по крайней мере один коммутатор, первый вывод которого соединен с промежуточным электродом, отличающийся тем, что второй вывод коммутатора соединен с вторым участком одного из электродов, расположенных коаксиально промежуточному электроду, участок внутренней коаксиальной линии двойной коаксиальной формирующей линии, расположенной между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с второй коаксиальной линией, выполнен с неоднородной структурой, при этом
T₁ = 0,5 T₀,
где T₁ - время, за которое возбужденная при срабатывании коммутатора волна E₁, распространяющаяся во внутренней коаксиальной линии двойной коаксиальной формирующей линии, достигает стыка с первой коаксиальной линией;
T₀ - время, за которое возбужденная при срабатывании коммутатора волна E₂, распространяющая во внутренней коаксиальной линии двойной коаксиальной формирующей линии в противоположном направлении относительно волны E₁, и волны E₀, распространяющаяся во внешней коаксиальной линии двойной коаксиальной формирующей линии, достигают стыка с второй коаксиальной линией. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что второй вывод коммутатора соединен с вторым участком центрального электрода, а внешняя и внутренняя коаксиальные линии двойной формирующей линии выполнены с волновыми сопротивлениями, удовлетворяющими следующим соотношениям:

ρ₂= (1,35÷1,44)ρ₀,

Z = ρ₀+ρ₂,
где ρ₁ - волновое сопротивление участка внутренней коаксиальной линии между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с первой коаксиальной линией передачи, (Ом);
ρ₂ - волновое сопротивление участка внутренней коаксиальной линии между коммутатором и стыком двойной формирующей линии с второй коаксиальной линией передачи, Ом;
ρ₀ - волновое сопротивление внешней коаксиальной линии, образованной вторым участком внешнего электрода и промежуточным электродом, Ом;
L_k - индуктивность коммутатора, Г;
Z - сопротивление нагрузки, Ом.