ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2001 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 B, 10³-10⁶ A, 10^-7-10^-8 с).

Известен генератор высоковольтных импульсов /1I, фиг. 3а/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого 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 = 2, 3,...,n - номер отрезка СЛ;
n - полное число отрезков линий в СЛ;
Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i;
волновых сопротивлений отрезков, образованных высоковольтным электродом в первом отрезке СЛ:
- с разрядником Z₁=Z_n·2/[(n+1)(n+2)],
- без разрядника
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 (n+1)/2 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину V₀/2.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (n+1)V₀/2 в согласованном режиме и (n+1)V₀ в режиме холостого хода. Кроме того, недостатком является наличие на выходе генератора предымпульсного напряжения перед подключением нагрузки, равного по амплитуде и длительности, но противоположного по полярности напряжению на согласованной нагрузке. Наличие значительного по величине предымпульсного напряжения, что в данном генераторе является необходимым условием высокого КПД, имеет негативные последствия. Во-первых, на выходе генератора необходимо использовать разрядник, к которому предъявляются весьма высокие требования. Он должен выдерживать без пробоя высокое предымпульсное напряжение, а затем в течение относительно короткого рабочего импульса пропустить всю первоначально запасенную в генераторе энергию. Поэтому в ряде случаев предельные выходные параметры генератора определяются возможностями предымпульсного разрядника. Во-вторых, несмотря на разрядник, предымпульсное напряжение из-за наличия паразитных электрических емкостей частично попадает на нагрузку, что в ряде случаев крайне нежелательно. Например, при использовании в качестве нагрузки генератора вакуумного диода для формирования пучков заряженных частиц предымпульсное напряжение приводит к образованию в ускоряющем зазоре плазмы, оказывающей существенное влияние на характеристики диода в течение рабочего импульса и ухудшающей воспроизводимость выходных параметров генератора от импульса к импульсу.

В качестве прототипа выбран генератор /2/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока и резистивная нагрузка. Во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий первый отрезок СЛ на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродом включены источник напряжения и коммутирующий разрядник, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ. В разрыв заземленного электрода в любом месте включены параллельно соединенные источник тока и разрядник. Волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии, равны:
- с разрядником
- без разрядника
- волновые сопротивления отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения

где i = 2,3,...,n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и в виде магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V⁰/I₀=Z₁.

Под действием источника напряжения осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости двух отрезков с волновыми сопротивлениями Z₁ и . Энергия запасается в указанных отрезках в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным электродом и прерывателем тока, создается ток I₀ и энергия запасается дополнительно во всем объеме СЛ в виде магнитного поля. Схема генератора, волновые сопротивления, зарядное напряжение и начальный ток подобраны таким образом, что при включении коммутирующего разрядника вся первоначально запасенная энергия концентрируется на выходе генератора. При срабатывании прерывателя тока в момент прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника на согласованной нагрузке формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого энергия полностью передается в нагрузку. Предымпульсное напряжение на нагрузке отсутствует. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в (α+n)/2α раз.

Недостатком прототипа является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (α+n)V₀/(2α) в согласованном режиме и ( α +n)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 в генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого отрезка СЛ и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, подключенные параллельно на выходе СЛ нагрузку и прерыватель тока, включенные в любом месте в разрыв заземленного электрода соединенные параллельно источник тока и 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, - волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением Z₁;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 2,3,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии;
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀ = Z·(2n+2α-n)/(2α).
Включение в состав генератора дополнительной линии, изменение положения коммутирующего разрядника, а также указанный оптимальный выбор волновых сопротивлений и отношения величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе в совокупности обеспечивают полную передачу запасенной в генераторе энергии в согласованную нагрузку при формировании на ней прямоугольного импульса напряжения повышенной амплитуды.

На фигуре приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - прерыватель тока; 3 - нагрузка; 4 - высоковольтный электрод; 5, 6 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 в первом отрезке ступенчатой линии; 7 - источник напряжения; 8 - дополнительная однородная линия; 9 - коммутирующий разрядник; 10 - источник тока; 11 - разрядник для отключения источника тока; 12 - второй отрезок ступенчатой линии.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока 2 и резистивная нагрузка 3. Во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 4, делящий первый отрезок СЛ на две однородные линии 5 и 6 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₁ и Между высоковольтным 4 и заземленным 1 электродами включены источник напряжения 7, а также, в месте соединения первого и второго отрезков СЛ со стороны линии 5, один из концов дополнительной однородной линии 8, электрическая длина которой равна электрической длине T₀. На другом конце дополнительной линии 8 включен коммутирующий разрядник 9. В разрыв заземленного электрода 1 в любом месте включены параллельно соединенные источник тока 10 и разрядник 11. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:



где Z₁, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением Z₁;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i= 2,3,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии,
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀ = Z·(2n+2α-n)/(2α).
Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 7 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости отрезков 5 и 6 и дополнительной линии 8, в которых энергия запасается в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока 10 в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным электродом 1 и прерывателем тока 2, создается ток I₀ и энергия запасается дополнительно во всем объеме ступенчатой линии в виде магнитного поля. Соотношение величин V₀ и I₀ выбраны в соответствии с указанным выше уравнением. (Полярность напряжения V₀ и направление тока I₀ выбираются таким образом, чтобы после прихода электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 9 в линии 5 происходило уменьшение тока). Величины V₀ и I₀ определяются и фиксируются до начала зарядки генератора путем выбора соответствующих источников напряжения или тока, либо путем предварительного регулирования выходных параметров этих источников. При достижении максимального тока I₀ и максимального зарядного напряжения V₀ включается коммутирующий разрядник 9. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. (Разрядник 11, отсоединяющий источник тока 10 от ступенчатой линии, включается после достижения максимального тока I₀ до прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 9, например, в момент времени t =0). При включении коммутирующего разрядника 9 по дополнительной линии 8 будет распространяться волна разрядки -V₀, после прохождения которой напряжение в дополнительной линии становится равным нулю. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом рисунке направлен в СЛ снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево. В момент времени t = T₀ эта волна приходит к месту соединения дополнительной линии с линиями 5, 6 и 12. В результате в дополнительную линию 8 отразится волна напряжения -V₀/2, а по линиям 5, 6 и 12 будут распространяться волны напряжения соответственно.

В момент времени t= 2T₀ происходит следующее. Волна напряжения -V₀/2, распространяющаяся по дополнительной линии 8, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 9 и отражается от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения линий 5 и 6 приходят две волны: -3V₀/2 по линии 5 и V₀·(n+α-2)/[2(n+α-1)] по линии 6. В результате суперпозиции волн в месте соединения линий с разными волновыми сопротивлениями по линии 5 в сторону дополнительной линии пойдет волна V₀/2, а по линии 6 волна V₀·(n+α)/[2(n+α-1)]. Легко показать, что после прохождения данных волн напряжение в каждой из этих линий становится равным нулю. Кроме того, в каждой из линий в результате прохождения волн возникает ток, равный по величине, но противоположный по полярности начальному току I₀, созданному источником 10. Т.е. суммарный ток в обеих линиях становится равным нулю. Таким образом, после прохождения волн из линий 5 и 6 отбирается полностью не только электрическая, но и магнитная энергия. В этот же момент времени волна напряжения -V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-1)] приходит к месту соединения второго 12 и третьего отрезков СЛ. В результате в линию 12 отразится волна -V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-1)(n+α-2)], а в третий отрезок СЛ пойдет волна -V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-2)].
В момент времени t = 3T₀ к месту соединения линий 5, 6, 8 и 12 приходят четыре волны: по линии 5 - волна V₀/2, по линии 6 - волна V₀·(n+α)/[2(n+α-1)], по линии 8 - волна V₀/2 и по линии 12 - волна B результате суперпозиции суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линии 5, 6 и 8, равны нулю. Кроме того, напряжение и полный ток в каждой из указанных линий также становятся равными нулю. Т.е. к моменту времени t = 3T₀ завершается процесс полного отбора энергии из линий 5, 6 и 8. В линию 12 в результате суперпозиции пойдет волна напряжения V₀·(2n+2α-1)/(2[n+α-2)], обнуляющая в ней как напряжение, так и полный ток. Т.е. начинается процесс полного отбора энергии из этой линий. В этот же момент времени волна -V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-2)], распространяющаяся по третьему отрезку СЛ достигает места ее соединения с четвертым отрезком СЛ. В результате в третий отрезок СЛ отразится волна напряжения -V₀·(2n+2α-1)/(2[n+α-2)(n+α-3)], а в четвертый отрезок СЛ пройдет волна -V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-3)].
В момент времени t = 4T₀ к месту соединения второго и третьего отрезков СЛ приходят две волны: V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-2)] по второму отрезку и -V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-2)(n+α-3)] по третьему отрезку. Суммарная амплитуда волны, отраженной во второй отрезок, равна нулю, а в третий отрезок СЛ пойдет волна V₀·(2n+2α-1)/[2(n+α-3)]. К этому моменту времени завершается процесс полного отбора энергии из второго отрезка СЛ. Отбор энергии из остальных отрезков СЛ осуществляется аналогичным образом - первая электромагнитная волна начинает отбор энергии, а завершает этот процесс волна, приходящая со стороны разрядника 9 с задержкой на время 2T₀. В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только первой электромагнитной волны. В момент времени t=T₀ в линию 12 с волновым сопротивлением Z₂ побежит волна напряжения -V₀(2n+2α-1)/[2[n+α-1)]. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии с разными волновыми сопротивлениями волна будет изменять свою амплитуду. В интервале времени iT₀ - (i + 1)T₀ волна будет распространяться по отрезку СЛ с номером i и ее амплитуда V₁ⁱ будет равна

В момент времени t =nT₀, когда первая волна напряжения приходит к выходу генератора, включается прерыватель тока 2, подключающий резистивную нагрузку 3 с импедансом Z_н. В результате прихода волны на нагрузке 3 формируется импульс напряжения а в результате размыкания прерывателя тока - импульс напряжения

Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 3 в момент времени t = nT₀, равна

и остается постоянной в интервале времени nT₀ - (n+2)T₀. В дальнейшем в общем случае на нагрузке формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T₀. Генератор имеет наибольший КПД в согласованном режиме, когда Z_н = Z_n. В этом случае на нагрузке 3 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой V₀·(2n+2α-1)/(2α) и длительностью 2T₀. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 3 равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе

где E_C и E_L - энергия, запасаемая в генераторе в электрическом и магнитном поле, соответственно; электрическая емкость и индуктивность линий с соответствующими волновыми сопротивлениями.

Следовательно, к моменту времени t = (n + 2)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 3, 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 формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой V₀·(2n+2α-1)/(2α), что превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа в 2-1/( α +n) раз. Например, при α =1 превышение напряжения составляет 2-1/(n+1) раз. Так как в рассматриваемом генераторе число отрезков n не может быть выбрано меньше 1, то выигрыш по напряжению составляет не менее 1,5 раз. Выигрыш растет с увеличением числа отрезков СЛ и уменьшением величины α. Оптимальный выбор числа отрезков СЛ и величины α должен проводиться отдельно для каждого конкретного применения.

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 /3-7/.

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

Источники информации, принятые во внимание:
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. I, PP. 511-516 (аналог - стр. 512, fig. 1; прототип - стр. 513, fig. 3a).

2. Патент на изобретение N 2121216. Генератор высоковольтных импульсов// Гордеев B. C., Босамыкин B.C. - N 96112919; Заявлено 20.06.96; Опубликовано 27.10.98., Бюл. N30.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. B. C. Босамыкин, B. C. Гордеев, В.Ф. Басманов, В.О. Филиппов, Г.А. Мысков и др. 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.

7. 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 последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T_о. Во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий этот отрезок на две водородные линии. На выходе СЛ подключены соединенные параллельно нагрузка и прерыватель тока. Между высоковольтным и заземленным электродами включен источник напряжения. В разрыв заземленного электрода в любом месте включены соединенные параллельно источник тока и 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 T_о. На другом конце дополнительной линии включен коммутирующий разрядник. В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке формируется прямоугольный импульс напряжения с длительностью, равной удвоенному времени пробега электромагнитной волны по длине отдельного отрезка ступенчатой линии. 1 ил.

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами с одинаковым временем задержки T_o, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии и разделяющий его на две однородные линии с волновыми сопротивлениями Z₁ и источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, подключенные параллельно на выходе ступенчатой линии нагрузку и прерыватель тока, включенные в любом месте в разрыв заземленного электрода соединенные параллельно источник тока и разрядник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной однородной линией с временем задержки T_o, один из концов дополнительной однородной линии подключен к концу однородной линии с волновыми сопротивлениями Z₁ между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной однородной линии, волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:



где 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 однородной линии,
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным V_o/l_o= Z·(2n+2α-n)/(2α).