ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2000 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных высоковольтных импульсов, например для генерации пучков заряженных частиц (10⁵ -10⁷ В, 10³ - 10⁶ А, 10^-7 - 10^-8 с).

Известен генератор /1, fig. 1/, содержащий два электрода, образующие ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, коммутирующий разрядник, включенный между электродами на входе СЛ, резистивную нагрузку и предымпульсный разрядник, подсоединенные последовательно между электродами на выходе СЛ, а также источник напряжения, включенный между электродами СЛ. Под действием источника напряжения СЛ заряжаются до напряжения V₀, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении коммутирующего разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений:
Z_i=Z₁•[i•(i+1)]/2,
где i = 1,2,..., n - номер отрезка линии, отсчитываемый от входа СЛ;
n - полное число отрезков линий в СЛ;
Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i.

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является первый импульс напряжения. Нагрузка подключается к выходу СЛ при срабатывании предымпульсного разрядника с задержкой на время nT₀ по отношению к моменту включения коммутирующего разрядника, то есть в момент прихода к выходу генератора первой электромагнитной волны. На согласованной нагрузке Z_н=Z_n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого вся энергия передается в нагрузку. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в n/2 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину V₀/2. Максимальное напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода составляет nV₀.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное V₀/2 в согласованном режиме и nV₀ в режиме холостого хода.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов /1, fig. 3b/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме второго отрезка СЛ и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, резистивную нагрузку, подключенную к выходу СЛ последовательно с предымпульсным разрядником. Под действием источника напряжения два отрезка линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V₀, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении коммутирующего разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений
Z_i = Z_n•2/[(n-i+1)(n-i+2)],
где i= 3,4,..,n - номер отрезка СЛ;
n - полное число отрезков в СЛ;
Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i;
волновых сопротивлений отрезков, образованных высоковольтным электродом во втором отрезке СЛ:
- с разрядником Z₂ = Z_n•2/[(n-1)(3n-2)],
- без разрядника
Волновое сопротивление первого отрезка СЛ выбирается равным Z₁ = Z_n•4/[n(n+2)].

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании предымпульсного разрядника с задержкой на время (n+1)T₀ по отношению к моменту включения коммутирующего разрядника, то есть с задержкой на время 2T₀ по отношению к моменту прихода к выходу генератора первой электромагнитной волны. На согласованной нагрузке Z_н = Z_n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого вся энергия передается в нагрузку. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в (3n-2)/4 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину (3/4)V₀.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (3n-2)V₀/4 в согласованном режиме и (3n-2)V₀/2 в режиме холостого хода.

Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения. Технический результат достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предымпульсный разрядник, снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине T₀, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:

где Z₁ -волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии, Z₂, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновыми сопротивлениями Z₂;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3,4,...n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии.

Включение в состав генератора дополнительной линии, изменение положения коммутирующего разрядника и указанный оптимальный выбор волновых сопротивлений в совокупности обеспечивают полную передачу запасенной в генераторе энергии в согласованную нагрузку при формировании на ней прямоугольного импульса напряжения повышенной амплитуды.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - высоковольтный электрод; 3 - первый отрезок ступенчатой линии, 4, 5 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 2 во втором отрезке ступенчатой линии; 6 - дополнительная однородная линия; 7 - коммутирующий разрядник; 8 - источник напряжения; 9 - нагрузка; 10 - предымпульсный разрядник; 11 - третий отрезок ступенчатой линии.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. Во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 2, делящий второй отрезок СЛ на две однородные линии 4 и 5 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₂ и Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии подключен один из концов дополнительной однородной линии 6, электрическая длина которой равна электрической длине T₀. На другом конце дополнительной линии 6 включен коммутирующий разрядник 7. Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами включен источник напряжения 8. К выходу ступенчатой линии подключены соединенные последовательно нагрузка 9 и предымпульсный разрядник 10. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:

где Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии, Z₂, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением Z₂;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i= 3,4,...,n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 8 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости двух отрезков линий 4 и 5 с импедансами Z₂ и а также дополнительной линии 6 с волновым сопротивлением Z. Энергия запасается в указанных линиях в виде электрического поля. При достижении максимального зарядного напряжения V₀ включается коммутирующий разрядник 7, замыкающий накоротко конец дополнительной линии, по которой побежит волна разрядки - V₀. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом рисунке в ступенчатой линии направлен снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево. В момент времени t = T₀ волна разрядки, распространяющаяся по дополнительной линии 6, достигает места ее соединения с линиями 3, 4 и 5. В дополнительную линию 6 отразится волна напряжения -2/3•V₀, а в линии 3, 4 и 5 пойдут волны с амплитудой, равной -[(17n-9)/(12n)]•V₀, -5/3•V₀ и [(n+3)/(4n)]•V₀.

В момент времени t = 2T₀ происходит следующее. Волна -2/3•V₀, распространяющаяся по дополнительной линии 6, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 7 и отражается без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. Волна -[(17n-9)/(12n)]•V₀ достигает короткозамкнутого конца ступенчатой линии и также отражается без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. Волны напряжения -5/3•V₀ и [(n+3)/(4n)]•V₀ приходят к месту соединения линий 4, 5 и 11. В результате в линию 4 пойдет волна -{ (3n-1)/[3(n-1)]}V₀, в линию 5 - волна [(4n-3)/(4n)]V₀, а в третий отрезок ступенчатой линии 11 пройдет волна -{(17n-9)/[12(n-1)]}•V₀.

В момент времени t = 3T₀ происходит следующее. К месту соединения дополнительной линии 6 с линиями 3, 4 и 5 приходят четыре волны напряжения: по линии 6 - волна 2/3•V₀, по линии 3 - волна [(17n-9)/(12n)]V₀, по линии 4 - волна -{(3n-1)/[3(n-1)]}V₀ и по линии 5 - волна [(4n- 3)/(4n)]V₀. Для расчета амплитуды первого импульса напряжения на нагрузке генератора достаточно рассмотреть только волны, которые в результате суперпозии электромагнитных волн будут распространяться по линиям 4 и 5. Их амплитуда будет равна { (11n-7)/[6(n-1)]}•V₀ и [(4n-3)/ (4n)]•V₀. В это же время от места соединения третьего и четвертого отрезков ступенчатой линии в отрезок 11 отражается волна напряжения -{(17n-9)/[12(n-1)(n-2)]}•V₀.

В момент времени t = 4T₀ происходит следующее. К месту соединения линий 4, 5 и 11 приходят три волны напряжения: по линии 4 - волна {(11n -7)/[6(n-1)] } •V₀, по линии 5 - волна [(4n-3)/(4n)]•V₀ и по линии 11 - волна -{ (17n-9) /[12(n-1)(n-2)]}•V₀. Для расчета амплитуды первого импульса напряжения на нагрузке генератора достаточно рассмотреть только волну, которая в результате суперпозии электромагнитных волн будет распространяться по линии 11. Ее амплитуда будет равна {(17n- 9)(2n -3)/[12(n-1)(n-2)]}•V₀.

Таким образом, в третий отрезок ступенчатой линии 11 в момент времени t= 2T₀ пойдет волна напряжения V₁ ³ -{(17n-9)/[12(n-1)]}•V₀, а в момент времени t=4T₀ - волна V₂ ³={(17n-9)(2n-3)/[12(n-1)(n-2)]}•V₀. В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только этих двух волн напряжения. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии волны будут менять свою амплитуду. В интервале времени iT₀- (i+1)T₀ первая волна будет распространяться по отрезку ступенчатой линии с номером i и ее амплитуда V₁ ³ будет равна

Амплитуда второй волны в отрезке ступенчатой линии с номером i, обозначим ее V₂ ³, связана с амплитудой этой же волны в отрезке с номером i-1 и амплитудой первой волны в отрезке с номером i следующим рекуррентным соотношением:

С учетом соотношения волновых сопротивлений отрезков ступенчатой линии выражения для V₁ ³ и амплитуды волны V₂ ³ в третьем отрезке СЛ находим В момент времени t=nT₀ первая волна с амплитудой V₁ ⁿ= -(17n-9)V₀/24 приходит к выходу генератора с волновым сопротивлением Z_n. Так как предымпульсный разрядник 10 выключен, то волна напряжения отражается от разомкнутого конца линии без изменения полярности и амплитуды. В результате выходной отрезок СЛ с номером n оказывается заряженным до напряжения 2V₁ ⁿ. В момент времени t = (n + 2)T₀ включается предымпульсный разрядник 10, и на нагрузке 9 с импедансом Z_н формируется импульс напряжения В это же время к выходу генератора приходит волна V₂ ⁿ = (17n-9)V₀/8 и на нагрузке 9 возникает импульс напряжения Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 9 в момент времени t = (n+2)T₀, равна и остается постоянной в интервале времени t = (n+2)T₀- (n+4)T₀. В дальнейшем на нагрузке в общем случае формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T₀. Амплитуда напряжения максимальна в режиме холостого хода и равна V₀(17n-9)/6. Генератор имеет максимальный КПД в согласованном режиме, когда Z_н = Z_n. В этом случае на нагрузке 8 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой V₀(17n-9)/12 и длительностью 2T₀. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 9 равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе где C, C₂, электрическая емкость линий с волновыми сопротивлениями Z, Z₂, соответственно.

Следовательно, к моменту времени t = (n+4)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 9, и напряжение и ток в любом сечении генератора становятся равными нулю.

В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке 9 формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой V₀(17n-9)/12, что в (17n-9)/[3(3n-2)] раз превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равного V₀(3n-2)/4.

Правильность метода анализа волновых процессов в высоковольтных генераторах на ступенчатых линиях, подобного проведенному выше, была неоднократно подтверждена при создании ряда сильноточных импульсных ускорителей электронов с системами формирования импульсов ускоряющего напряжения на ступенчатых линиях /2 - 6/.

Генератор может быть выполнен в вариантах, использующих полосковые, коаксиальные и радиальные линии с распределенными параметрами.

Источники информации
1. Bossamykin V. S. , Gordeev V. S., Pavlovskii A.I. New schemes for high-voltage pulsed generators based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High- Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V. 1, PP. 511-516 (аналог - стр. 512, fig. 1; прототип - стр. 513, fig. 3а).

2. Bossamykin V.S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. Pulsed power electron accelerator with the forming systems based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V. 1, PP. 505-510.

3. Bossamykin V. S. , Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. STRAUS-2 electron pulsed accelerator // 9^th IEEE Internat Pulsed Power Conf, Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 910-912.

4. Bossamykin V.S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. Linear induction accelerator LIA-10M// 9^th IEEE Internat Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 905-907.

5. Линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-10М с индукторами на ступенчатых линиях // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -1997. -Вып. 4, 5 (31, 32). С. 117-119.

6. B. C. Босамыкин, B. C. Гордеев, В.Ф. Басманов, В.О. Филиппов, Г.А. Мысков и др. Инжектор ускорителя ЛИУ-10М // ВАНТ. Серия: Ядерно- физические исследования. -1997. -Вып. 4,5(31, 32). С. 120-122.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники. Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения. Генератор высоковольтных импульсов содержит заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т_о. Во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий его на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродами включен источник напряжения. К выходу ступенчатой линии подключены соединенные последовательно нагрузка и предимпульсный разрядник. Между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии подключен один из концов дополнительной однородной линии, электрическая длина которой равна электрической длине Т_о. На другом конце дополнительной линии включен коммутирующий разрядник. Приведены соотношения для выбора волновых сопротивлений отрезков ступенчатых линий. 1 ил.

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предымпульсный разрядник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине T₀, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:




где Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии;
Z₂, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением Z₂;
Z₁ - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3,4, ..., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии.