ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H03K3/537 

Настоящее изобретение относится к усовершенстованиям генераторов типа, известного под названием генератора Маркса, для получения сигналов высокого напряжения.

Все известные генераторы Маркса действуют за счет накопления заряда в каскаде из конденсаторов, соединенных параллельно через соответствующий импеданс до величины напряжения V_о. Этот каскад из конденсаторов разряжается последовательно через N переключающих элементов, например, искровых промежутков, для создания выходного напряжения NV_о. Для получения потока сигналов высокого напряжения эти действия могут повторяться.

Один из примеров генератора Маркса описан в патенте США N 5311067. Генератор, рассмотренный в этом примере, находится в атмосфере газообразного водорода под высоким давлением, а разрядка начинается под действием сигнала с большим временем нарастания, который подается на перемещающий элемент первого каскада. Недостатком этого способа включения является то, что он требует дополнительного усложнения добавочного контура генерации сигналов и синхронизирущего и управляющего контуров.

В соответствии с данным изобретением генератор сигналов высокого напряжения включает в себя: генератор Маркса с N каскадами, причем каждый каскад имеет переключатель в виде искрового промежутка;
заряжающий источник электроэнергии, соединенный через первый каскад генератора Маркса, и отличается
наличием устройства, периодически задерживающего действие источника электроэнергии.

Для функционирования при высокой частоте повторения предпочтительным диэлектриком для генератора Маркса является сжатый газообразный водород. В отличие от других газов водород является наиболее предпочтительным диэлектриком, так как было обнаружено, что при высоких частотах сигналов достигается хороший уровень стабильности напряжения.

Напряжение пробоя искрового промежутка первого каскада можно установить ниже, чем остальные, либо уменьшая этот промежуток, либо понижая давление изолирующего газа, окружающего этот промежуток, по сравнению с остальными искровыми промежутками. Таким образом, генератор Маркса по настоящему изобретению может включаться, не требуя никакой дополнительной цепи.

Задерживание действия источника электроэнергии на короткое время после разрядки генератора Маркса дает возможность диэлектрику восстановиться. Один из способов добиться этого - выбрать источник электроэнергии, действие которого можно задержать. Например, более предпочтительным считается использование источника с заряжаемым конденсатором, а не обычный источник высокого напряжения постоянного тока. Такой тип источника с заряжаемым конденсатором в настоящее время выпускается несколькими фирмами-изготовителями и может работать на высоких частотах повторения.

При желании устройство для периодического задерживания действия источника электроэнергии может приводиться в действие с помощью цепи, которая определяет точку, в которой возникает разряд в генераторе Маркса.

Непрерывная подача заряжающего напряжения на генератор Маркса приводит к износу диэлектрика (например, газообразного водорода) после каждой разрядки, что в худшем случае может привести к непрерывной проводимости промежутка. Этот эффект можно уменьшить с помощью струи газа, которая смывает ионы и другие виды загрязнений из зон, прилегающих непосредственно к искровому промежутку. Однако в настоящем изобретении из-за того, что зарядка генератора Маркса задерживается между сигналами разрядки (на 100 микросекунд или около того), у диэлектрика в виде газообразного водорода есть время на восстановление перед началом следующего заряжающего цикла. Таким образом, нет надобности в использовании газовой струи, и генератор работает в течение периода до 10 секунд при частоте повторения, равной, по крайней мере, 1 кГц.

Ниже приведено описание одного из вариантов данного изобретения с помощью примера и ссылок на чертежи, на которых:
фиг. 1 - схема генератора сигналов высокого напряжения в соответствии с данным изобретением;
фиг. 2 - график, показывающий передачу энергии между конденсаторами, соединенными параллельно;
фиг. 3 - график, показывающий изменение напряжения по емкостной нагрузке;
фиг. 4 - график, показывающий соотношение энергия/напряжение для резонансных цепей.

На фиг. 1 генератор Маркса 1 состоит из пяти каскадов конденсаторов 2a - 2a, соединенных параллельно, причем каждый каскад состоит из заряжающего сопротивления 3a и сопротивления изоляции 3b, конденсатора 4 и переключателя в виде искрового промежутка 5. Индуктивная нагрузка 6 соединяется через последний каскад 2e, а источник 7, заряжающий конденсатор, соединен с первым каскадом 2a. Искровой промежуток 5 первого каскада 2a делается меньше, чем остальные, для гарантии того, что первым пробой произойдет в каскаде 2a.

Цепь обнаружения разрядки 8 соединена с нагрузкой 6, а сигнал на выходе этой цепи включает цепь задерживания 9 и управляет источником 7 зарядки конденсатора.

Переключатели в виде искровых промежутков 5 запаяны в оболочку 10, которая имеет газопроводную арматуру 11 и 12, позволяющую наполнять водородом оболочку 10. Арматура 11 и 12 изготавливается из найлона, что гарантирует минимальную вероятность возникновения искрения с внешней стороны оболочки.

При использовании существующих (известных) элементов генератор сигналов высокого напряжения на фиг. 1 может вырабатывать 35 кВ на каждом каскаде (имея на выходе 175 кВ) при частоте повторения сигнала 1 кГц.

Емкость каждого из каскадов равна 4000 Пикофарад (замерено при напряжении 40 кВ), что достигается путем соединения двух конденсаторов TDk UHV-12 по 2000 Пикофарад параллельно. Эти конденсаторы изготовлены из керамики и считаются пригодными для этого применения. Емкость на выходе генератора Маркса, таким образом, равна 800 Пикофарад, что делает паразитную емкость практически несущественной, что, в свою очередь, доводит до минимума потери энергии.

Другим подходящим конденсатором является конденсатор Максвела 37335, который может работать при напряжении 70 кВ. Конденсаторы Максвела и TDk конденсаторы могут работать при плотности энергии 33 Дж^-1 и 30 Дж^-1 соответственно.

В идеале для гарантирования максимума плотности энергии и для уменьшения воздействия электрического поля на соединительные провода высокого напряжения конденсаторы должны иметь изолированные участки в форме половинок жернового камня.

Следующим вопросом к рассмотрению является прямой участок графика потерь в конденсаторах. Отклонение от перпендикулярности сигнала напряжения к сигналу тока проявляется в нагревании конденсатора, приводящим к потерям. Известно, что в этом отношении TDk конденсатор функционирует нормально до, по крайней мере, частоты сигналов 100 кГц.

В варианте изобретения, взятом в качестве примера, резисторы 3a и 3b изготовлены из углесодержащего состава с величиной сопротивления 2 Ом. Можно использовать сопротивления с обмоткой, но их собственная индуктивность замедляет работу генератора Маркса и увеличивает потери. Более того, они могут быть восприимчивы к отказам при высоких напряжениях.

Известно, что в некоторых генераторах Маркса применяются резисторы в виде раствора сульфата меди, благодаря их хорошей работе при высоких напряжениях. Однако, к их недостаткам относится высокая степень зависимости от температуры из-за того, что они представляют собой жидкость. Наоборот, резисторы из углесодержащего состава и резисторы в виде обмотки имеют относительно стабильные температурные характеристики, и поэтому являются более предпочтительными в тех случаях, когда генератор Маркса работает в условиях изменяющейся температуры.

Возникновение искрения по корпусу резистора предотвращается за счет применения соответствующего герметизирующего компаунда. В другом варианте атмосфера вокруг резистора может находиться под давлением воздуха, азота или гексафлорида серы, или может иметь масляную изоляцию.

Величина 2k на каждый каскад была выбрана на основании расчетов с тем, чтобы достичь 2% потери энергии в 5-каскадном генераторе Маркса. При меньшем значении сопротивления будут возрастать потери, в то время как, при более высоких напряжениях будет замедляться цикл зарядки.

Другим вопросом, который следует рассмотреть в конструкции генератора Маркса 1 на фиг. 1, это оптимальное отношение емкости генератора Маркса C₁ к емкости нагрузки C₂. Для этого следует рассмотреть две функции резонансных контуров.

Эти две функции - максимальная передача энергии и максимальное напряжение на нагрузке.

Передача энергии η между двумя конденсаторами выражается следующим соотношением: η = 4C₁C₂/(C₁+C₂)². Оно представлено в графическом виде на фиг. 2.

Как видно на фиг. 2, максимальная передача энергии происходит между одинаковыми емкостями.

Из приведенного ниже соотношения можно получить значение резко возрастающего напряжения V₂ под влиянием индуктивной составляющей для двух конденсаторов в параллельном резонансе:
V₂ = 2V₁C₁/(C₁ + C₂),
где V₁ - напряжение на входе.

При двух конденсаторах, находящихся в параллельном резонансе, для случая C₁ >> C₂ напряжение на выходе V₂ увеличивается до максимального значения. Это приведет к увеличению напряжения зарядки на конденсаторе C₂ почти в два раза, что показано на фиг. 3. Помножив эти два графика, можно получить компромиссное положение для получения оптимальной передачи энергии и максимального напряжения на выходе.

Оптимизированное отношение энергия/напряжение ниже приводится в виде формулы. Она представляет собой произведение уравнения передачи энергии и уравнения напряжения на выходе:
Q = 8V₁C₁ ²C₂/(C₁ + C₂)³.

Это соотношение графически показано на фиг. 4.

Искровые промежутки 5 выполнены в виде цельной разрядной трубки, для которой требуется всего одна газовая трубка на входе и одна на выходе во всей системе. С ее помощью осуществляется предварительная ионизация ультрафиолетовыми лучами пространства между соседними искровыми промежутками.

Известно, что проведение предварительной ионизации ультрафиолетовыми лучами пространства между соседними искровыми промежутками приводит к стабилизации их функционирования.

Источники для зарядки конденсаторов, способные подавать напряжение в 40 кВ на частоте 1 кГц, можно получить на фирме Applied Laser Electronics, например, тип ALE802. Для гарантии того, что имеется достаточно мощности для пробоя генератора Маркса, расчетная мощность берется 35 кВ на каскад.

Как уже указывалось ранее, оболочка переключателя в виде искрового промежутка, т.е. разрядная трубка 10, наполнена газообразным водородом, сжатым до 15 бар. Этот газ создает изоляцию для искровых промежутков 5. Указанное давление устанавливает минимальное значение для искрового промежутка примерно 4 мм при напряжении пробоя, равном 35 кВ.

Расстояние между каскадами 2a, 2b устанавливается равным 60 мм, что достаточно для гарантии того, что не возникнет искрения между каскадами. Электроды, каждый из которых содержит переключатель 5, имеют несферическую форму с тем, чтобы сделать это расстояние минимальным. Это приведет к небольшому усилению поля, благодаря этой неравномерности. Однако это усиление недостаточно для возникновения искрения.

В действии газообразный водород попадает в разрядную трубку 10 с одного конца, а выходит с противоположного конца через газовую арматуру 11 и 12. Это будет гарантировать продувку оставшегося в разрядной трубке 10 воздуха перед герметизацией.

Затем разрядная трубка 10 заполняется водородом до давления 15 бар.

Теперь энергия от источника 7 зарядки конденсатора подается к генератору Маркса, благодаря чему каждый каскад заряжается до своего максимального значения напряжения зарядки, равного 35 кВ. Когда достигается напряжение пробоя искрового промежутка 5 первого каскада 2a, этот промежуток быстро закрывается. Остальные искровые промежутки 5 последовательно закрываются путем быстрых переходных состояний перенапряжения, связанных с присутствием в генераторе Маркса 1 паразитных емкостей. Таким образом, при закрытии всех искровых промежутков 5 напряжения 175 кВ передается индуктивной нагрузке 6. В этой точке цепь обнаружения 8, которая управляет напряжением нагрузки 6, обнаруживает параметры, соответствующие подъему края графика выходного напряжения генератора Маркса, это означает, что произошла разрядка. В результате включается цепь задержки 9. После чего эта цепь задержки посылает отключающий сигнал источнику 7 зарядки конденсатора, так что заряжающее напряжение удаляется из генератора Маркса на заданное время. По прошествии этого установочного времени (обычного 200-500 микросек) цепь задержки 9 отключает сигнал из источника 7 зарядки конденсатора и цикл повторяется.

Цепь обнаружения 8 может включать в себя любой подходящий прибор для измерения напряжения. Такие приборы хорошо известны специалистам в этой области техники и легко могут быть ими смонтированы.

Аналогично цепь задержки 9 можно легко составить, причем она должна включать в себя простую логическую схему, состоящую из триггерного импульсного генератора и синхронизирующего контура.

В другом варианте изобретения вместо управления напряжением на нагрузке 6 цепь обнаружения управляет выходным сигналом источника зарядки конденсатора. Когда возникает разряд, он затем падает до нуля, при этом включается цепь обнаружения 8. Этот вариант изобретения желательно применять, когда нагрузка 6 и, возможно, генератор Маркса 1 действуют на расстоянии от источника 7 зарядки и соответствующей цепи 8, 9.

Импульсный генератор высокого напряжения относится к области импульсной техники. Импульсный генератор высокого напряжения содержит генератор Маркса, имеющий n каскадов, каждый из которых включает в себя переключатель в виде искрового промежутка, источник зарядки, устройство, предназначенное для периодической задержки действия источника зарядки, а ширина искрового промежутка в переключателе первого каскада меньше, чем у остальных переключателей. Достигаемый технический результат - задержкой действия источника зарядки электричеством на короткий период времени после каждой разрядки гарантируется восстановление диэлектрика, что позволяет достигать большой частоты повторений без необходимости использования струи газа. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Импульсный генератор высокого напряжения, содержащий генератор Маркса, имеющий n каскадов, каждый из которых включает в себя переключатель в виде искрового промежутка, а также источник зарядки, соединенный с первым каскадом генератора Маркса, а также устройство, предназначенное для периодической задержки действия источника зарядки, отличающийся тем, что ширина искрового промежутка в переключателе первого каскада меньше, чем у остальных переключателей. 2. Импульсный генератор по п.1, отличающийся тем, что переключатели в виде искрового промежутка помещены в цельную разрядную трубку, наполненную газообразным водородом под давлением. 3. Импульсный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что источником зарядки является источник зарядки конденсатора. 4. Импульсный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что устройство для периодической задержки действия источника зарядки включается посредством устройства, чувствительного к разрядке генератора Маркса.