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

Изобретение относится к области получения мощных высоковольтных импульсов напряжения с коротким фронтом и предназначено для использования в электрофизической аппаратуре, в частности, в технике формирования сильноточных импульсных пучков электронов.

Известен генератор импульсных напряжений, включающий основную длинную линию, вход которой является входом генератора, а выход через разрядник соединен с выходом генератора, и аккумулятор энергии в виде конденсатора, подключенного параллельно выходу основной длинной линии (Г.А.Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. -М.: Советское Радио, 1974 с.131. рис. 7.8).

При использовании известного генератора в качестве источника питания в сильноточной импульсной электрофизической аппаратуре, в частности, в электронных пушках, важнейшим требованием является получение минимально возможного времени коммутации разрядника и, соответственно, минимальной длительности фронта выходного импульса. Укорочение длительности фронта особенно сложно обеспечить на низкоомной нагрузке, так как длительность фронта выходного импульса генератора обратно пропорциональна величине сопротивления нагрузки. Наличие в известном генераторе указанного конденсатора обеспечивает укорочение фронта импульса, но введение конденсатора как дополнительного конструктивного элемента усложняет конструкцию и ухудшает надежность этого генератора, увеличивая вероятность пробоя в месте соединения конденсатора с разрядником при высоких напряжениях и ограничивает возможность повышения выходного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является генератор импульсов высокого напряжения, включающий основную длинную линию, вход которой является входом генератора, а выход через разрядник соединен с выходом генератора, и аккумулятор энергии в виде двух конденсаторов, один из которых подключен параллельно выходу основной длинной линии, другой - параллельно электродам разрядника (Г.А.Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. -М.: Советское Радио, 1974, с.131, рис. 7.8 и с.132, строки 22-29 сверху).

В генераторе-прототипе, как и в аналоге, обеспечивается укорочение фронта выходного импульса. Однако наличие в генераторе конструктивных элементов сосредоточенной емкости - конденсаторов, в любом случае имеющих индуктивную составляющую сопротивления, ограничивающую верхнюю рабочую частоту конденсатора, ограничивает и возможности укорочения фронта выходного импульса генератора. Соединение с электродами разрядника дополнительных конструктивных элементов - конденсаторов усложняет конструкцию генератора, увеличивает вероятность пробоя при повышенных напряжениях в узле соединения конденсаторов с электродами разрядника и ограничивает величину допустимого высокого напряжения.

Задачей изобретения является укорочение фронта выходного импульса генератора, особенно на низкоомной нагрузке, повышение надежности работы и выходного напряжения.

Для достижения указанной цели в генератор импульсов высокого напряжения, включающий основную длинную линию, вход которой является входом генератора, а выход через разрядник соединен с выходом генератора, и аккумулятор энергии, подключенный параллельно электродам разрядника, в качестве аккумулятора энергии использована дополнительная длинная линия с разомкнутым выходом, сформированная поверхностями электродов разрядника, вход которой совмещен с разрядным промежутком разрядника.

Генератор импульсов высокого напряжения отличается также тем, что для формирования дополнительной длинной линии выступ одного из электродов разрядника расположен в полости другого электрода, а разрядный промежуток расположен в основании выступа за счет, например, повышенной кривизны поверхностей электродов и/или уменьшенного расстояния между электродами в основании выступа в сравнении с другими участками поверхностей электродов.

Генератор импульсов высокого напряжения отличается еще тем, что поверхности выступа и полости электродов разрядника образуют коаксиальную линию.

Коаксиальная линия в генераторе импульсов высокого напряжения выполнена с переменным волновым сопротивлением по крайней мере части ее длины.

Генератор импульсов высокого напряжения отличается и тем, что выступ и полость выполнены цилиндрическими по крайней мере на части их длины, с шаровым закруглением конца выступа и дна полости.

Выступу придана цилиндрическая, а полости - коническая форма, или - наоборот.

Полости и выступу придана коническая форма.

Наконец, генератор импульсов высокого напряжения отличается тем, что поверхности выступа и полости электродов разрядника имеют в основном шаровую форму.

Выполнение в предложенном техническом решении аккумулятора энергии в виде длинной линии с разомкнутым выходом, сформированной поверхностями электродов разрядника, при одновременном совмещении входа этой линии с разрядным промежутком разрядника позволяет получить новый технический результат. Он заключается в укорочении длительности фронта выходного импульса генератора, особенно для низкоомных нагрузок, только за счет изменения формы электродов разрядника, без использования в генераторе отдельных дополнительных конструктивных элементов. При этом также упрощается конструкция генератора, уменьшается вероятность пробоев, связанных с конструктивным исполнением дополнительного аккумулятора энергии, повышается надежность работы генератора и снимается ограничение на повышение его выходного напряжения.

Описанные выше конкретные конструкции образованной электродами разрядника дополнительной длинной линии равноценны с точки зрения достижения указанного технического результата и решения задачи изобретения. Они отличаются разной сложностью и стоимостью реализации. Наиболее простой конструкцией является выполнение дополнительной длинной линии в виде совмещенных друг с другом цилиндрических выступа и полости, выполненных в разных электродах разрядника и образующих коаксиальную длинную линию.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 - блок-схема генератора; на фиг. 2 - вариант выполнения дополнительной длинной линии, в которой выступ одного электрода разрядника имеет цилиндрическую форму, а полость другого электрода - коническую форму; на фиг. 3 - другой вариант выполнения дополнительной длинной линии, где поверхности выступа и полости электродов разрядника имеют в основном шаровую форму; на фиг. 4 - конструкция импульсного источника электронов, частью которого является предложенное изобретение.

Генератор импульсов высокого напряжения (фиг. 1) содержит основную длинную линию 1, входные контакты 2, 3 которой являются входом генератора, разрядник 4 с дополнительной длинной линией 5 и согласующую длинную линию 6, выходные контакты 7, 8 которой являются выходом генератора. На выходе генератора включена нагрузка 9. Основная длинная линия 1, разрядник 4, согласующая длинная линия 6 и нагрузка 9 соединены друг с другом последовательно в указанном порядке. Разрядник 4 содержит электроды 11 и 12, помещенные в заполненное газом, например азотом, пространство 10. Выступ 13 высокопотенциального электрода 11 размещен в соответствующей ему по размеру полости 14 электрода 12. Торцевые поверхности выступа и полости закруглены для устранения возможности пробоя между электродами. Обращенные друг к другу поверхности выступа 13 и полости 14 образуют дополнительную длинную линию 5. Минимальный зазор между электродами 11, 12 выполнен в промежутке 15 между скругленным основанием выступа 13 и скругленным краем полости 14 и является средством инициирования разряда, так что промежуток 15 является разрядным промежутком разрядника 4. Через участки поверхности электродов 11, 12, образующие разрядный промежуток 15, проходят токи разряда обоих длинных линий - 1 и 5.

Параметры дополнительной длинной линии 5 выбираются из условия обеспечения разряда этой линии в течение времени, не превышающего требуемой длительности выходного импульса генератора. Волновое сопротивление дополнительной линии 5 для получения ощутимого эффекта от ее использования должно быть не менее одной десятой величины волнового сопротивления основной длинной линии 1. Оптимальное отношение величины волнового сопротивления линии 5 к величине линии 1 находится в пределах от 0,5 до 1,5.

Длинные линии 1, 5 и 6 могут быть коаксиальными, полосковыми и других типов. Согласующая длинная линия 6, включенная между разрядником 4 и нагрузкой 9, требуется в случае необходимости согласования величины сопротивления нагрузки 9 с волновым сопротивлением основной длинной линии 1. Разрядник 4 может быть также жидкостным или вакуумным.

В качестве средства для инициирования разряда в разрядном промежутке 15 вместо уменьшения зазора между электродами может быть использован дополнительный запускающий электрод, соединенный со схемой запуска и размещенный в указанном промежутке (на фиг. не показано).

В представленном на фиг. 2 варианте исполнения коаксиальной длинной линии 5 выступ 13 высокопотенциального электрода 11 разрядника 4 имеет цилиндрическую форму, а полость 14 электрода 12 - коническую, то есть длинная линия 5 имеет переменное волновое сопротивление по ее длине. Кольцевой разрядный промежуток 15 находится в основании выступа 13 и охватывает ось разрядника 4 со всех сторон. В других исполнениях полость 14 может иметь кольцевую форму, а выступ 13 - коническую; выступ и полость могут иметь оба коническую форму; конические поверхности могут быть обращены основаниями в одну или разные стороны (на фиг. не показано). Выступ 13 и полость 14 могут иметь в основном шаровую форму (фиг. 3). Шаровой формы выступ 13 соединен с электродом 11 разрядника 4 с помощью шейки 51, в основании которой находится разрядный промежуток 15. Параметры дополнительной линии 5 в этом случае определяются соотношением радиусов шаровых поверхностей выступа и полости.

Дополнительная длинная линия 5 может быть сформирована электродами 11, 12 разрядника 4 так, что ее ось расположена перпендикулярно или под другим углом к оси электродов 11, 12 разрядника 4; один конец (выход) этой линии разомкнут, другой конец (вход) - совмещен с разрядным промежутком, расположенным в этом случае только с одной стороны разрядника 4; обращенные друг к другу поверхности электродов 11, 12 разрядника, образующие длинную линию, могут иметь, например, прямоугольную или частично цилиндрическую форму (на фиг. не показано).

Изображенный на фиг. 4 источник электронов с предложенным генератором импульсов высокого напряжения содержит размещенный в цилиндрическом металлическом корпусе 16 импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, встроенный в коаксиальную формирующую основную длинную линию 16, 17. Внешним проводником основной длинной линии является цилиндрический корпус 16 основной длинной линии. Внутренний цилиндрический проводник 17 основной длинной линии размещен по оси корпуса 16 с помощью изоляторов 18, 19. Емкость основной длинной линии между ее внешним 16 и внутренним 17 проводниками играет роль одного из накопительных конденсаторов.

Внешняя часть 20 разомкнутого магнитопровода размещена на внутренней поверхности внешнего проводника (корпуса) 16 основной длинной линии, а внутренняя часть 21 расположена на внешней поверхности внутреннего проводника 17 этой линии. Первичная обмотка 22 импульсного трансформатора расположена вблизи внутренней поверхности внешнего проводника 16 основной длинной линии и соединена с ним одним концом (соединение на фиг. не показано). Другой конец первичной обмотки 22 через высоковольтный ввод 23 соединен с выводом коммутирующего элемента 24, второй вывод которого через другой накопительный конденсатор 25 соединен с корпусом 16. Каждая из обкладок конденсатора 25 соединена с одной из клемм 26, 27, являющихся входом источника электронов и, одновременно, входом генератора импульсов высокого напряжения, включающего в данном случае, кроме основной длинной линии 16, 17, также встроенный в нее описанный выше импульсный трансформатор, коммутатор 24 и конденсатор 25. Вторичная обмотка 28 импульсного трансформатора размещена между внешним 16 и внутренним 17 проводниками основной длинной линии, в данном примере исполнения - на конусном каркасе (на фиг. не показан). Обмотка 61 соединена одним концом с внутренним 16, другим - с внешним проводником 17 линии (на фиг. не показано). Внутренняя полость 29 генератора может быть заполнена диэлектрической жидкостью, например трансформаторным маслом (на фиг. не обозначено).

Внешняя 20 и внутренняя 21 части разомкнутого магнитопровода, а также первичная обмотка 22 импульсного трансформатора имеют цилиндрическую форму, а вторичная обмотка 28 - коническую, показаны эти элементы на фиг. 2 условно, чтобы не усложнять чертеж.

Выходящий за пределы полости 29 конец внутреннего проводника 17 основной длинной линии является высокопотенциальным рабочим электродом 30 газового разрядника 4. Цилиндрический металлический корпус 31 разрядника 4 соединен фланцем 32 с корпусом 16 генератора. Другой рабочий электрод 33 разрядника 4 соединен с согласующей длинной линией 6, цилиндрический металлический корпус 34 которой соединен с корпусом 31 разрядника 4. Цилиндрический высокопотенциальный электрод 30 разрядника 4 содержит цилиндрической формы выступ 35, вставленный в цилиндрической формы полость 36 электрода 33. Торцевые поверхности 37 и 38 выступа 35 и полости 36 закруглены для устранения возможности пробоя между ними. Минимальный зазор между электродами 30, 33 выполнен в кольцевом разрядном промежутке 39 между скругленным основанием выступа 35 и скругленным краем полости 36. Обращенные друг к другу поверхности 40 и 41 выступа 35 и полости 36 образуют дополнительную коаксиальную длинную линию 5, ось которой совпадает с осью электродов 30 и 33.

Центральный цилиндрический проводник 42 согласующей линии 6 с помощью изоляторов 43, 44 закреплен в корпусе 34 этой линии. Нагрузкой генератора в рассматриваемом его применении является промежуток катот-анод. Катод 45 источника электронов соединен с выходным концом центрального проводника 42 согласующей линии 6. С корпусом 34 линии 6 соединен металлический корпус 46 вакуумируемой анодной камеры 47, имеющий закрытое металлической фольгой 48 окно 49 для вывода пучка электронов из анодной камеры в атмосферное пространство с целью его последующего использования. Генератор с указанной нагрузкой представляет собой импульсный источник электронов.

Для заполнения жидким диэлектриком полости 29 корпуса 16 служат патрубки 50. Узлы, необходимые для заполнения или продувки рабочим газом, в частности азотом, разрядной полости разрядника 4, а также для вакуумирования полости 47, на фиг. не показаны.

Генератор работает следующим образом.

На вход 2-3 основной длинной линии 1 (фиг. 1) подается импульс напряжения, заряжающий эту линию. Напряжение на ее выходе, то есть на высокопотенциальном электроде 11 разрядника 4 увеличивается, при этом происходит также заряд дополнительной длинной линии 5, сформированной поверхностями электродов 11 и 12 разрядника. Когда напряжение между электродами 11, 12 разрядника нарастает до величины, при которой происходит пробой разрядного промежутка 15 между электродами, линии 1 и 5 разряжаются. Основная линия 1 разряжается на нагрузку 9, создавая в ней высоковольтный выходной импульс напряжения. Нагрузкой дополнительной линии 5 является разрядный промежуток 15 между электродами разрядника. Разряд линии 1 и 5 начинается одновременно. Токи разряда линий 1 и 5 протекают через один и тот же разрядный промежуток 15. Объединение в разрядном промежутке 15 токов разряда основной длинной линии 1 и дополнительной длинной линии 5 и взаимодействие волновых процессов обоих линий обеспечивают модификацию формы выходного импульса генератора и, в частности, укорочение его фронта. Длительность фронта выходного импульса предложенного генератора меньше длительности фронта генератора-прототипа с использованием двух конденсаторов, включенных параллельно разрядному промежутку и выходу основной длинной линии. Надежность предложенного генератора с точки зрения уменьшения вероятности пробоя в несколько раз превышает надежность вышеуказанной конструкции прототипа.

В примере исполнения предложенного генератора с волновыми сопротивлениями основной длинной линии - 15 Ом, дополнительной линии - 20 Ом (при ее длине 35 см), согласующей линии - 15 Ом, при выходном напряжении 500 кВ и длительности импульса 50 нс длительность фронта импульса составила 3 нс на нагрузке 15 Ом. В то время как при использовании в известном генераторе конденсатора, подключенного параллельно электродам разрядника, получен выходной импульс с длительностью фронта 7-8 нс на нагрузке 75 Ом (В.В. Кремнев, Г.А. Месяц. Влияние межэлектродной емкости разрядника на крутизну фронта наносекундного импульса//Приборы и техника эксперимента.-1966.-N 1, с.117-119, рис. 3,в.).

Источник электронов с встроенным в него генератором (фиг. 4), работает так. При разомкнутом коммутирующем элементе (например, тиристорном ключе) 24 заряжается накопительный конденсатор 25 напряжением, подаваемым на вход 26, 27 генератора. При замыкании коммутирующего элемента 24 накопленная в конденсаторе 25 энергия перекачивается в основную длинную линию 16. 17. При этом в цепи первичного контура (конденсатор 25, коммутирующий элемент 25, первичная обмотка 22) импульсного трансформатора течет меняющийся по величине ток разряда конденсатора 25. В разомкнутом магнитопроводе 20, 21 возникает меняющийся во времени магнитный поток, создающий на вторичной обмотке 28 трансформатора повышенное напряжение заряда распределенной конструктивной емкости основной длинной линии 16, 17 (накопительного конденсатора этой линии). В процессе заряда емкости линии 16, 17 растет напряжение на вторичной обмотке 28, то есть напряжение на внутреннем проводнике 17 линии и, соответственно, напряжение на высокопотенциальном электроде 30 разрядника 4. Одновременно заряжается дополнительная длинная линия 5 разрядника 4. Когда напряжение между электродами 30, 33 разрядника 4 нарастает до величины, при которой происходит пробой разрядного промежутка 39 между электродами, основная длинная линия 16, 17 и дополнительная длинная линия 5 разряжаются. Нагрузкой дополнительной длинной линии 5 является разрядный промежуток 39 между электродами разрядника. Разряд основной и дополнительной длинных линий начинается одновременно. Токи разряда этих линий протекают через один и тот же разрядный промежуток 39. Основная длинная линия 16, 17 разряжается на нагрузку генератора, которой является в данном случае вакуумированный промежуток катод 45 - анод 49. Наличие выходного импульса напряжения генератора между катодом и анодом вызывает появление на катоде 45 пучка электронов (не показан), который через металлическую фольгу 48 проникает в атмосферное пространство для использования.

Генератор импульсов высокого напряжения относится к области получения мощных высоковольтных импульсов напряжения с коротким фронтом и предназначен для использования в электрофизической аппаратуре, в частности в технике формирования сильноточных импульсных пучков электронов. Решаемой технической задачей является укорочение фронта выходного импульса генератора, особенно на низкоомной нагрузке, повышение надежности работы и выходного напряжения. Генератор импульсов высокого напряжения содержит длинную линию, разрядник, на одном из электродов которого выполнен выступ, а в другом - полость, указанный выступ электрода размещен в полости другого электрода, основание указанного выступа и край указанной полости скруглены и образуют разрядный промежуток разрядника, при этом выступ и полость электродов разрядника выполнены цилиндрическими, шаровыми или коническими, или выступ одного электрода разрядника выполнен цилиндрическим, а полость другого электрода - конической или наоборот. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Генератор импульсов высокого напряжения, включающий длинную линию, вход которой является входом генератора, а выход через разрядник соединен с выходом генератора, отличающийся тем, что на одном из электродов разрядника выполнен выступ, а в другом - полость, указанный выступ одного электрода размещен в полости другого электрода, при этом основание указанного выступа и край указанной полости скруглены и образуют разрядный промежуток разрядника. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что выступ и полость электродов разрядника выполнены цилиндрическими. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что выступ и полость электродов разрядника выполнены цилиндрическими по крайней мере на части их длины, с шаровым закруглением конца выступа и дна полости. 4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что выступ одного электрода разрядника выполнен цилиндрическим, а полость другого электрода - конической, или наоборот. 5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что полость и выступ электродов разрядника выполнены коническими. 6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что выступ и полость электродов разрядника выполнены шаровыми.