ГЕНЕРАТОР-ФОРМИРОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2002 года по МПК H03K3/53 H05H5/00 

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике, к ускорительной технике и может быть использовано для генерации сильноточных высоковольтных электрических импульсов прямоугольной формы для запитки ускорительных устройств, плазменных, лайнерных нагрузок и т.д.

Известны генераторы импульсов тока с индуктивным накоплением энергии в короткозамкнутой формирующей линии с распределенными параметрами (Ицхоки Я. С. Импульсные устройства. М.: Сов. радио, 1959, с.343).

В этой работе изложены принципы формирования электромагнитного импульса с помощью короткозамкнутой линии с распределенными параметрами и обоснована возможность их реализации.

Известны импульсные генераторы с индуктивным формирующим элементом в виде вакуумной коаксиальной линии с плазменным прерывателем тока:
- Б.М. Ковальчук, В.А. Кокшенов, Ф.И. Фурсей.

Мощный импульсный генератор с промежуточным индуктивным накопителем. VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Томск, 1986г.;
- Ю.П. Толованов, Г.И. Долгачев, Л.П. Закатов, В.А. Скорюпин.

Применение плазменных прерывателей тока в индуктивных накопителях для создания тераваттных генераторов с большой энергетикой. - Физика плазмы, т. 14, вып.7, 1988г., стр.830.;
- С.Л. Бугаев, В.И. Канавец, В.И. Кошелев, В.А. Черепенин.

Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы. Новосибирск: Наука, 1991г., стр.33-35.

Недостатками таких генераторов являются их достаточно большой линейный размер, и, самое главное, невозможность осуществления суммирования напряжения на общей нагрузке от нескольких идентичных одиночных коаксиальных генераторов.

Прототипом заявляемого устройства является суммирующий генератор электромагнитных импульсов, в котором магнитная энергия тока запасается в замкнутых тороидальных контурах, соединенных последовательно (А.И. Павловский и др. Атомная энергия, 1974, т. 37, в.3, стр.228). Генератор-формирователь электрических импульсов содержит по меньшей мере два соединенных последовательно одиночных блока-индуктора. Каждый блок-индуктор представляет собой соединенные последовательно в общий электрический контур первичный источник тока, линию связи первичного источника с индуктивным накопителем, индуктивный накопитель в виде короткозамкнутой на внешнем радиусе радиальной линии с торообразным проводящим корпусом, образованным внешним цилиндрическим электродом и ограниченным вдоль оси боковыми электродами, электрически соединенными с внешним электродом, по крайней мере один прерыватель тока, расположенный аксиально в приосевой области линии и соединенный одним концом с боковым электродом. Ко второму концу прерывателя тока и второму боковому электроду подключен источник тока. Нагрузка подключена между боковыми электродами на внутреннем радиусе радиальной линии и расположена вдоль оси блока-индуктора.

Недостатками генератора являются:
- неудобство доступа к прерывателю тока (для его оперативного обслуживания замены взрывающихся проводников или обслуживания плазменного прерывателя тока), т.к. требуется демонтаж всего генератора и каждого блока индуктора и разгерметизация всего тракта нагрузки, обычно вакуумного (нагрузкой может быть ускоряемый электронный пучок, лайнер и т.д.).

- значительные линейные размеры блока-индуктора, т.к. прерыватель тока расположен аксиально с нагрузкой. Линейные размеры мощного прерывателя тока могут превышать линейные размеры блока-индуктора, т.к. линейные размеры блока-индуктора задаются его волновым сопротивлением, которое, в свою очередь, однозначно определяется требуемыми выходными параметрами генератора на заданную нагрузку.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высоковольтного генератора-формирователя с суммированием напряжения от последовательно соединенных блоков-индукторов небольших линейных размеров, позволяющего производить смену и обслуживание прерывателей тока без полного демонтажа генератора и разгерметизации ускорительного тракта (тракта нагрузки). Такой генератор может использоваться для формирования высоковольтных импульсов в ускорителях электронов, для запитки плазменных нагрузок, лайнерных систем и т.д.

Технический результат заключается: в обеспечении удобства эксплуатации, т. е. легкого доступа к прерывателям тока в каждом из блоков-индукторов, что позволяет эксплуатировать и обслуживать весь генератор без полного его демонтажа; в уменьшении линейных (осевых) размеров генератора; в сохранении возможности последовательного соединения блоков-индукторов для суммирования выходного напряжения генератора.

Технический результат достигается переносом прерывателя тока из приосевой области блоков-индукторов в область бокового электрода, введением дополнительной передающей радиальной линии, наружные электроды которой одновременно выполняют и функцию экранов, т.е. тороидальный корпус блока-индуктора, входящий в состав формирующей и передающей линий снаружи находится под нулевым потенциалом, что позволяет соединять блоки-индукторы последовательно и суммировать выходное напряжение генератора. Для достижения технического результата осуществляют определенную электрическую связь между электродами, прерывателем тока, источником тока.

Технический результат в генераторе достигается тем, что в отличие от известного генератора, включающего по меньшей мере два последовательно соединенных блока-индуктора, каждый из которых выполнен в виде торообразной радиальной формирующей линии и содержит первичный источник тока, линию связи первичного источника с индуктором и, по крайней мере, один прерыватель тока, в предлагаемом генераторе новым является то, что прерыватель тока в каждом индукторе расположен на боковом электроде радиальной формирующей линии, боковые электроды индуктора на внутреннем радиусе непосредственно или через разрядник соединены друг с другом, каждый индуктор дополнительно содержит подключенную параллельно прерывателю тока передающую линию для осуществления последовательного соединения индукторов между собой и суммирования напряжения от них на общей нагрузке.

Передающая линия образована двумя кольцевыми боковыми электродами, один из которых является боковым электродом формирующей линии, в разрыве которого расположены прерыватели тока, а другой - дополнительным наружным. На внешнем радиусе дополнительный боковой электрод ограничен и электрически соединен с дополнительным внешним цилиндрическим электродом, являющимся продолжением внешнего цилиндрического электрода формирующей линии. Дополнительный внешний цилиндрический электрод передающей линии электрически соединен с внешним электродом формирующей линии.

В предлагаемом генераторе-формирователе суммирующих импульсов перенос прерывателя тока из приосевой области в область бокового электрода позволяет осуществлять обслуживание узла прерывателя тока в каждом из блоков-индукторов генератора без полной разборки (демонтажа) всего генератора. Действительно, к узлу прерывателя тока возможен доступ через люк во внешнем цилиндрическом электроде. Люк находится в непосредственной близости от места расположения узла прерывателя тока. Через него можно произвести замену взрывающихся проводников, проверку, настройку и обслуживание плазменных прерывателей тока и т.д.

Более того, при использовании в генераторе-формирователе плазменных прерывателей тока радиальное расположение их на боковом электроде значительно упрощает подвод газа и питания к источникам плазмы (плазменным инжекторам), являющимся основным элементом плазменного прерывателя тока.

Расположение прерывателей тока в области бокового электрода позволяет использовать прерыватели тока с линейными размерами, превышающими линейные размеры (расстояние между боковыми электродами) блока-индуктора. Конструктивно это легко выполняется, т.к. радиальный размер блоков-индукторов генератора-формирователя значительно превышает их линейные размеры.

Линейный размер блоков-индукторов определяется его волновым сопротивлением, которое в свою очередь задается сопротивлением нагрузки. Для низкоомных нагрузок, т.е. для сильноточных генераторов, волновое сопротивление блока-индуктора мало, следовательно, линейный размер блока-индуктора тоже невелик. Например, в генераторе, состоящем из 5 последовательно соединенных одиночных блоков-индукторов с нагрузкой на выходе генератора ~2 Ом, для эффективной передачи тока, накопленного в короткозамкнутой радиальной линии блоков-индукторов, волновое сопротивление каждого блока-индуктора должно быть ~ 0,4 Ом. А это значит, что линейный размер радиальной линии блока-индуктора с водой в качестве диэлектрика и средним радиусом ~1 м составит ~6 см. В то же время мощные прерыватели тока могут иметь линейные размеры, превышающие 6...10 см, что делает невозможным размещение их подобно прототипу в аксиальном направлении в блоке-индукторе.

Таким образом, перенос прерывателя тока из приосевой области блока-индуктора в область бокового электрода позволяет осуществлять легкий и удобный доступ к узлам прерывателей тока, без демонтажа всего генератора, и сокращает линейный размер генератора-формирователя (особенно мощного сильноточного генератора).

Однако при переносе прерывателя тока в область бокового электрода многокаскадный генератор, аналогичный прототипу, невозможно выполнить без дополнительной передающей радиальной линии в каждом из блоков-индукторов. Дополнительная передающая линия соединяет выход каждого единичного блока-индуктора со следующим блоком-индуктором, что позволяет соединять единичные блоки-индукторы последовательно и суммировать напряжения от них на общей нагрузке, т.е. реализовывать суммирующий генератор-формирователь. Напряжение на выходе такого генератора равно сумме напряжений, получаемых на каждом блоке-индукторе.

Радиальная формирующая линия вместе с передающей линией образуют замкнутую торообразную полость (торообразный экранированный корпус), внутри которого находятся потенциальные кольцевые электроды формирующей линии - боковой электрод с кольцевым промежутком и прерывателем тока в нем, и передающей линии - кольцевой электрод, который может быть объединен с кольцевым электродом формирующей линии. В зависимости от варианта подключения к индуктору первичного источника тока боковые электроды индуктора на внутреннем радиусе непосредственно или через разрядник электрически соединены друг с другом.

На фиг. 1 и 2 изображены возможные варианты выполнения генератора-формирователя (показана половина сечения, поскольку генератор осесимметричен).

На фиг.1 изображен заявляемый генератор-формирователь электрических импульсов с подключением первичного источника тока через наружный цилиндрический электрод и боковыми электродами индуктора, непосредственно соединенными на внутреннем радиусе.

На фиг.2 изображен заявляемый генератор-формирователь электрических импульсов с подключением первичного источника тока через боковой электрод и боковыми электродами индуктора, соединенными на внутреннем радиусе через разрядник.

Генератор состоит из нескольких соединенных последовательно одиночных блоков-индукторов 1, выполненных в виде торообразной радиальной формирующей линии, первичных источников тока 2, линии связи первичного источника с индуктором 3, прерывателей тока 4. Прерыватель тока в каждом индукторе расположен на боковом электроде 5, боковые электроды 5, 6 радиальной формирующей линии на внутреннем радиусе непосредственно с помощью проводника 7 (фиг.1) или с помощью проводника 7 через разрядник 8 (фиг.2) соединены друг с другом. Дополнительная передающая линия, связывающая в последовательную цепь индукторы между собой, образована дополнительными электродами 9, 10 и электродом 5 формирующей линии. Генератор подключен к общей нагрузке 11.

Генератор работает следующим образом. В первоначально замкнутом контуре каждого индуктора, образованном короткозамкнутой линией 5, 6, прерывателем тока 4 и источником тока 2 с передающей линией 3, устанавливается ток I_о и энергия в линии запасается в магнитном поле. В процессе установления тока I_о радиальная линия представляет собой сосредоточенную индуктивность, т.к. время накопления тока значительно превышает электрическую длину линии. В момент времени t=0 срабатывает прерыватель тока 4 в каждом индукторе, контур индуктивного накопителя разрывается и в передающую радиальную линию начинает распространяться токовая волна, заряжая ее. Радиальная линия начинает работать на передающую линию как короткозамкнутая формирующая линия с током I_о. При одновременном подходе волны тока и напряжения к концу передающей линии напряжения на выходе каждого индуктора суммируются друг с другом и результирующее напряжение прикладывается к общей нагрузке 11 генератора. Ток в нагрузке равен току в передающей линии каждого индуктора.

Для варианта генератора, изображенного на фиг.2, обеспечение работоспособности невозможно без разрядника 8, включенного между боковыми электродами 5 и 6 формирующей линии. При срабатывании прерывателя тока и нарастании напряжения на выходе передающей линии до максимума разрядник пробивается и цепь, соединяющая выход передающей линии с нагрузкой, замыкается. При срабатывании разрядников в каждом блоке-индукторе создается общий токовый контур, состоящий из последовательно соединенных блоков-индукторов и нагрузки генератора. Кроме того, разрядники позволяют обострить передний фронт выходного импульса генератора, что является весьма желательным для многих технических применений.

Длительность импульса определяется временем двойного пробега волны по формирующей линии.

Описанный генератор целесообразно использовать в качестве импульсного источника питания для ускоряющих устройств, для запитки лайнерных, плазменных нагрузок с током ~10⁷ А, напряжением ~10⁷ В и длительностью импульса ~ 10⁸...10⁷ с.

Приведем технические характеристики одного из вариантов (по фиг.1) заявляемого генератора. Генератор состоит из пяти последовательно соединенных блоков-индукторов. Каждый индуктор представляет собой торообразный экранированный корпус, в котором объединены радиальная формирующая линия с плазменным прерывателем тока, расположенным на боковом электроде, и передающая радиальная линия. Внешний диаметр индуктора 3 м, внутренний - 1 м. В качестве диэлектрика в линиях используется деионизованная вода. Волновое сопротивление линий 0,5 Ом. Ток, накапливаемый в формирующей линии - 8 МА. При идеальном размыкателе тока по передающей линии будет передаваться прямоугольный импульс тока амплитудой 4 МА, длительностью ~60 нс, напряжением ~ 2•10⁶ В. Линейные размеры блока-индуктора ~16 см, при длине прерывателя тока не менее 30 см. Суммарное напряжения генератора на согласованной нагрузке, сопротивлением R_н= 2,5 Ом составит 10⁷ В, то есть на нагрузке реализуется импульс тока величиной 4 МА, напряжением 10⁷ В, длительностью ~60 нс.

Таким образом, в предложенном генераторе-формирователе с суммированием напряжения обеспечено удобство эксплуатации при обслуживании прерывателей тока, уменьшены линейные размеры (сохранены малыми при использовании прерывателей тока большей длины), сохранена возможность суммирования напряжения на общей нагрузке. По оценкам, использование данного изобретения позволит уменьшить линейные размеры генератора, особенно сильноточного, как минимум в два раза, уменьшить трудозатраты на обслуживание и подготовку генератора к работе в 3...4 раза по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике, к ускорительной технике и может быть использовано для запитки ускорительных устройств, плазменных, лайнерных нагрузок и т.д. Техническим результатом является сокращение габаритов устройства, а также обеспечение удобства эксплуатации. Генератор-формирователь электрических импульсов содержит, по меньшей мере, два последовательно соединенных индуктора, каждый из которых выполнен в виде торообразной радиальной формирующей линии, первичный источник тока, линию связи первичного источника с индуктором и, по крайней мере, один прерыватель тока. Прерыватель тока в каждом индукторе расположен на боковом электроде радиальной формирующей линии, боковые электроды индуктора на внутреннем радиусе непосредственно или через разрядник соединены друг с другом, каждый индуктор дополнительно содержит подключенную параллельно прерывателю тока передающую линию для осуществления последовательного соединения индукторов между собой и суммирования напряжения от них на общей нагрузке. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор-формирователь электрических импульсов, включающий, по меньшей мере, два последовательно соединенных торообразных индуктора, каждый из которых выполнен в виде радиальной формирующей линии и содержит первичный источник тока, линию связи первичного источника с индуктором, и, по меньшей мере, один прерыватель тока, отличающийся тем, что прерыватель тока в каждом индукторе расположен на боковом электроде радиальной формирующей линии, боковые электроды индуктора непосредственно соединены на внутреннем радиусе, первичный источник тока подключен через наружный цилиндрический электрод, а каждый индуктор дополнительно содержит подключенную параллельно прерывателю тока радиальную передающую линию для осуществления последовательного соединения индукторов между собой и суммирования напряжения от них на общей нагрузке. 2. Генератор-формирователь электрических импульсов, включающий, по меньшей мере, два последовательно соединенных торообразных индуктора, каждый из которых выполнен в виде радиальной формирующей линии и содержит первичный источник тока, линию связи первичного источника с индуктором и, по меньшей мере, один прерыватель тока, отличающийся тем, что прерыватель тока в каждом индукторе расположен на боковом электроде радиальной формирующей линии, боковые электроды индуктора соединены на внутреннем радиусе через разрядник, первичный источник тока подключен через боковой электрод индуктора, а каждый индуктор дополнительно содержит подключенную параллельно прерывателю тока передающую радиальную линию для осуществления последовательного соединения индукторов между собой и суммирования напряжения от них на общей нагрузке.