УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2003 года по МПК H03K3/53 

Устройство относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в генераторах различного вида излучений, например в излучателях электромагнитных импульсов субнаносекундного диапазона.

Известны устройства для формирования высоковольтных субнаносекундных импульсов, содержащие формирующую линию (ФЛ), два разрядника-обострителя, две передающие линии (ПЛ), срезающий разрядник, нагрузку [1]. Работает устройство следующим образом. От источника импульсного напряжения заряжается ФЛ, затем срабатывает первый разрядник-обостритель и ФЛ разряжается на первую ПЛ, после зарядки которой срабатывает второй разрядник-обостритель и по второй ПЛ к нагрузке распространяется импульс с субнаносекундным фронтом, который приводит к срабатыванию срезающего разрядника и шунтированию нагрузки. Длительность импульса определяется временем запаздывания пробоя срезающего разрядника на корпус второй ПЛ.

Недостатками данного устройства являются наличие третьего (срезающего) разрядника и трудность формирования колебательной, например биполярной, формы импульса, которая необходима для питания излучателей электромагнитных импульсов, т. к. при этом увеличиваются скорость (крутизна) и мощность излучения.

Известны устройства для формирования мощных субнаносекундных импульсов, содержащие зарядное устройство, импульсный трансформатор, соединенный с первой ФЛ, которая через первый разрядник соединена со второй ФЛ, последняя через второй разрядник соединена с выходной ФЛ, которая через многоканальный разрядник-обостритель соединена с ПЛ [2] . Коаксиальная конструкция устройства достаточна компактна. Работает устройство следующим образом. При подаче импульса на первичную обмотку импульсного трансформатора на его вторичной обмотке и на первой ФЛ возникает импульс высокого напряжения, который приводит к пробою первого разрядника и зарядке второй ФЛ. При достижении на второй ФЛ напряжения, близкого к максимальному, срабатывает второй разрядник и происходит быстрая зарядка (примерно за ~10^-9 с) выходной ФЛ. Благодаря большим перенапряжениям происходит многоканальный пробой выходного разрядника-обострителя и по ПЛ к нагрузке распространяется импульс с фронтом в доли наносекунды. Длительность импульса определяется в основном длиной выходной ФЛ и может составлять также доли наносекунды.

Недостатком данного устройства является большое количество формирующих линий и разрядников, а также трудность формирования биполярных или колебательных импульсов.

Известны устройства для формирования субнаносекундных биполярных импульсов, содержащие зарядное устройство, импульсный трансформатор, первичная обмотка которого через коммутатор подключена к емкостному накопителю, а вторичная - к ФЛ, которая через разрядник-обостритель подключена ко второй ФЛ, соединенной через второй разрядник с ПЛ. Между внутренним и внешним токопроводами второй ФЛ включен срезающий разрядник, который позволяет получить на нагрузке биполярный субнаносекундный импульс. Работает устройство следующим образом. От зарядного устройства заряжается емкостной накопитель в первичном контуре импульсного трансформатора. После срабатывания коммутатора емкостной накопитель разряжается на первичную обмотку, в результате на вторичной обмотке возникает импульс высокого напряжения, который заряжает первую ФЛ. Затем срабатывает первый разрядник-обостритель и ко второй ФЛ прикладывается импульс напряжения с наносекундным фронтом, в результате происходит пробой второго разрядника-обострителя одновременно со срезающим разрядником и импульс передается к нагрузке. В результате суперпозиции отраженных и преломленных волн на нагрузке формируется биполярный импульс с субнаносекундной длительностью.

Недостатком данного устройства является необходимость одновременного срабатывания срезающего разрядника со вторым обостряющим разрядником с точностью порядка 10^-11 с. Это является трудно выполнимой научно-технической задачей из-за сложности синхронизации срабатывания разрядников с такой точностью.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности формирования биполярных и колебательных субнаносекундных импульсов.

Техническим результатом является упрощение конструкции устройства для формирования биполярных и колебательных субнаносекундных импульсов.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов, содержащем зарядный источник импульсного напряжения, систему формирования импульсов, состоящую из формирующей линии (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой - через разрядник-обостритель - с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, передающую линию (ПЛ), подключенную к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом ФЛ и выходной ФЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, корпус выходной ФЛ выполнен большего диаметра, чем корпус передающей линии, и снабжен крышкой с отверстием, являющейся частью корпуса выходной ФЛ, причем к крышке по периметру отверстия подсоединен корпус передающей линии, высоковольтный токопровод выходной ФЛ выполнен в виде диска, края которого по всему периметру образуют с внутренней поверхностью корпуса выходной ФЛ множественные искровые разрядники, а центральная часть высоковольтного токопровода выходной ФЛ соединена с начальной частью высоковольтного токопровода ПЛ через электрическую емкость.

Таким образом, увеличение эффективности формирования субнаносекундных колебательных импульсов достигается тем, что в выходной ФЛ создаются колебания электромагнитной волны, увеличенной амплитуды, т.к. выходная ФЛ при использовании высоковольтного токопровода в форме диска представляет собой радиальную линию, волновое сопротивление на радиусе R которой увеличивается по направлению к центру по закону:

где h - расстояние между диском и другим электродом (в данном случае заземленным) радиальной линии; ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции радиальной линии; R - радиус, на котором вычисляется Z. Поэтому при срабатывании искровых разрядников электрический импульс распространяется к центру, трансформируется, т.е. увеличивается в амплитуде. Коэффициент трансформации равен

где R₁ и R₂ внешний и внутренний (на котором подсоединена ПЛ) радиусы диска. Причем минимальный период колебаний Т определяется временем пробега (t) электромагнитной волны от края до центра радиальной линии, а именно Т≈4t.

Субнаносекундные биполярные и колебательные импульсы передаются в нагрузку через электрическую емкость без использования дополнительного выходного разрядника, что приводит к более простой конструкции всего устройства и позволяет достаточно просто получить биполярный и колебательный импульс субнаносекундного диапазона увеличенной амплитуды.

Срабатывание кольцевых искровых разрядников позволяет избежать влияния ФЛ на форму импульса, т.е. предотвращает возникновение второго импульса, т. к. при срабатывании искровые разрядники, замыкаясь на заземленный токопровод с нулевым потенциалом, полностью шунтируют ФЛ.

Множественные искровые разрядники могут быть образованы высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и внутренней поверхностью крышки.

Множественные искровые разрядники могут быть образованы высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса выходной ФЛ.

Диск может быть выполнен с отогнутой в сторону крышки корпуса выходной ФЛ кромкой по всему периметру диска, образующей с поверхностью крышки кольцевой искровой промежуток.

Выполнение высоковольтного токопровода в виде диска с отогнутой кромкой позволит реализовать преимущество радиальной линии и достаточно просто регулировать зазор искровых разрядников с целью оптимизации их пробоя, двигая диск вдоль его оси.

Края диска, образующие множественные искровые разрядники, могут быть выполнены более тонкими, чем сам диск.

Когда время зарядки выходной ФЛ достаточно быстрое (~10^-9), возникают большие перенапряжения и искусственная развязка искровых разрядников может не понадобиться. Выполнение края диска более тонким, с малым радиусом закругления обеспечит большую напряженность электрического поля, что повысит стабильность зажигания многочисленных искровых каналов по периметру диска.

В диске могут быть выполнены прорези, радиально сходящиеся к центру.

По внешнему периметру диска могут быть встроены стержни, образующие с токопроводом нулевого потенциала искровые разрядники.

Выполнение в диске прорезей в радиальном направлении или введение стержней по краю диска позволит обеспечить многоканальный пробой путем выполнения искусственной развязки между каналами, уменьшить активные потери и увеличить крутизну нарастания импульса путем инициирования по краю диска большого числа искровых разрядов.

Между высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и высоковольтным токопроводом ПЛ может быть встроена диэлектрическая втулка, что позволяет увеличить электрическую емкость между выходной ФЛ и ПЛ и повысить эффективность передачи импульсов к нагрузке.

На фиг. 1 изображена блок- схема устройства для формирования субнаносекундных импульсов с элементами конструкции.

На фиг. 2 изображена конструкция выходной формирующей линии с образованием множественных искровых разрядников высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и внутренней поверхностью крышки.

На фиг. 3 изображена конструкция выходной формирующей линии с образованием множественных искровых разрядников высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса выходной ФЛ.

На фиг. 4 изображена конструкция выходной формирующей линии с отогнутой в сторону крышки корпуса выходной ФЛ кромкой по всему периметру диска, образующей с поверхностью крышки множественные искровые разрядники.

На фиг. 5 изображена конструкция выходной формирующей линии с выполнением краев диска более тонкими, чем сам диск.

На фиг. 6 изображена конструкция выходной формирующей линии с встроенными по всему периметру диска стержнями.

На фиг. 7 изображена конструкция выходной формирующей линии с выполнением в диске прорезей, радиально сходящихся к центру.

На фиг. 8 изображена конструкция выходной формирующей линии со встроенной между высоковольтным электродом выходной ФЛ и высоковольтным токопроводом ПЛ диэлектрической втулкой.

На фиг. 9 представлены осциллограммы, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство для формирования субнаносекундных импульсов (фиг. 1) содержит зарядный источник импульсного напряжения 1, выполненный в виде системы управления 2, зарядного устройства 3, импульсного трансформатора (ИТ), состоящего из первичной 4 и вторичной 5 обмоток, накопительного конденсатора 6, подключенного через коммутатор 7 параллельно первичной обмотке 4 ИТ, систему формирования импульсов, состоящую из формирующей линии (ФЛ) 8, высоковольтный токопровод 9 которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения 1, а с другой - через разрядник-обостритель 10 - с высоковольтным токопроводом 11 выходной ФЛ 12, передающую линию (ПЛ) 13, подключенную к нагрузке 14. Токопроводы с нулевым потенциалом ФЛ 8 и ПЛ 13 являются их корпусами и соединены друг с другом. Корпус 15 выходной ФЛ 12 выполнен большего диаметра, чем корпус 16 ПЛ 13 и снабжен крышкой 17, являющейся частью корпуса выходной ФЛ 12, с отверстием 18, причем к крышке по периметру отверстия 18 подсоединен корпус 16 ПЛ 13. Высоковольтный токопровод 11 выходной ФЛ 12 выполнен в виде диска, края которого по всему периметру образуют с внутренней поверхностью корпуса 15 или 17 множественные искровые разрядники 19 или 20, а центральная часть высоковольтного токопровода 11 выходной ФЛ 12 соединена с начальной частью высоковольтного токопровода 21 ПЛ 13 через электрическую емкость 22.

Множественные искровые разрядники 20 могут быть образованы высоковольтным токопроводом 11 выходной ФЛ 12 и внутренней поверхностью крышки 17 (фиг. 2).

Множественные искровые разрядники 19 могут быть образованы высоковольтным токопроводом 11 выходной ФЛ 12 и внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса 15 (фиг.3).

Диск 11 может быть выполнен с отогнутой в сторону крышки 17 кромкой 23 по всему периметру диска, образующей с поверхностью крышки множественные искровые разрядники 20 (фиг. 4).

Края 24 диска 11, образующие множественные искровые разрядники 19, могут быть выполнены более тонкими, чем сам диск (фиг. 5).

По внешнему периметру диска 11 могут быть встроены стержни 25, образующие с цилиндрическим корпусом 15 ФЛ 12 множественные искровые разрядники 19 (фиг.6).

В диске 11 могут быть выполнены прорези 26, радиально сходящиеся к центру (фиг. 7).

Между высоковольтным токопроводом 11 выходной ФЛ 12 и высоковольтным токопроводом 21 ПЛ 13 может быть встроена диэлектрическая втулка 27 (фиг. 8).

Устройство для формирования субнаносекундных импульсов работает следующим образом.

От системы управления 2 подается команда на включение зарядного устройства 3, от которого происходит зарядка накопительной емкости 6 до необходимого уровня напряжения. После этого от системы управления 2 подается команда на пуск коммутатора 7, который срабатывает, и электрическая емкость 6 разряжается на первичную обмотку 4 ИТ, в результате на вторичной обмотке 5 ИТ возникает импульс высокого напряжения, который заряжает ФЛ 8. В определенный момент времени t₁, когда амплитуда напряжения на ФЛ 8 близка к максимальной, срабатывает разрядник-обостритель 10 и происходит быстрая зарядка выходной ФЛ 12 от ФЛ 8 за время примерно 2 нс (кривая 1) (фиг. 9). При амплитуде напряжения на выходной ФЛ 12, равной пробивному напряжению искровых разрядников 20 в момент времени t₂ (фиг. 9) последние пробиваются, напряжение на них резко падает (кривая 2), и к центру высоковольтного токопровода выходной ФЛ 12, выполненного в виде диска 11 или диска с отогнутой в сторону крышки 17 кромкой 23 (фиг.4) распространяется электромагнитная волна, которая через электрическую емкость 22 передается по передающей линии 13 к нагрузке 14, и на нагрузке формируется колебательный импульс (кривая 3). Поскольку выходная ФЛ 12 представляет собой радиальную линию с достаточно малым волновым сопротивлением, электромагнитный импульс, возбужденный в выходной ФЛ 12, отражается от ее центра (места соединения с ПЛ 13), и возникают колебания электромагнитной волны. Эти колебания через электрическую емкость 22 передаются в нагрузку 14.

Благодаря эффекту трансформации амплитуда напряжения на нагрузке 14 больше амплитуды зарядного импульса выходной ФЛ 12, что видно из сравнения кривых 1 и 2 (фиг. 9). Если пробоя искровых разрядников 20 не происходит, то напряжение на выходной ФЛ 12 и на искровых разрядниках 20 имеет форму, соответствующую кривой 1.

Использование предложенного устройства позволяет, во-первых, избежать влияния ФЛ 8 на форму импульса, т.е. предотвращает возникновение второго импульса, т. к. при срабатывании искровые разрядники 20, замыкаясь на заземленный токопровод с нулевым потенциалом 17, полностью шунтируют ФЛ 8. Во-вторых, выходная ФЛ 12 при использовании высоковольтного токопровода 11 в форме диска или диска с отогнутой в сторону крышки, являющейся корпусом выходной ФЛ, кромкой представляет собой радиальную линию. Поэтому при срабатывании искровых разрядников электрический импульс распространяется к центру, трансформируется, т. е. увеличивается в амплитуде. Таким образом, предложенная конструкция позволяет достаточно просто получить колебательный импульс субнаносекундного диапазона увеличенной амплитуды.

Для уменьшения активных потерь и времени нарастания субнаносекундных импульсов необходимо, чтобы по краю диска инициировалось как можно больше искровых разрядов. Количество каналов ограничено эффектом "шунтирования" одного канала другим, для избежания этого явления время срабатывания одного искрового разрядника (канала) должно быть меньше удвоенного времени пробега электромагнитной волны от соседнего канала. Этому способствует искусственная развязка между каналами, которая может быть достигнута путем введения стержней по краю диска (фиг. 6) или выполнения в диске прорезей в радиальном направлении (фиг. 7). Когда время зарядки выходной ФЛ достаточно быстрое (~ 10^-9), возникают большие перенапряжения, и искусственная развязка искровых разрядников может не понадобиться. В этом случае для увеличения стабильности зажигания многочисленных искровых каналов по периметру диска достаточно выполнить его край более тонким (фиг. 5).

Выполнение высоковольтного токопровода в виде диска с отогнутой кромкой (фиг. 4) позволяет реализовать преимущество радиальной линии и достаточно просто регулировать зазор искровых разрядников с целью оптимизации их пробоя, двигая диск вдоль его оси.

Источники информации
1. Желтов К. А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. М.: Энергоатомиздат, 1991, стр. 19.

2. Agee F.J. Scholfield D.W., Prather W., Burger J.W. Powerful ultrawide Band RF Emitters status and Challenges Proceedingc of SPIE, 1995, v. 2557, p. 98-109.

3. Шпак В. Г. и др. Генерирование мощных сверхширокополосных электромагнитных импульсов субнаносекундной длительности. Известия высших учебных заведений. Физика 12, 1996, стр. 119.

Устройство относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в генераторах различного вида излучений, например в излучателях электромагнитных импульсов субнаносекундного диапазона. Техническим результатом является повышение эффективности формирования биполярных и колебательных субнаносекундных импульсов. В устройстве для формирования субнаносекундных импульсов, содержащем зарядный источник импульсного напряжения, систему формирования импульсов, состоящую из формирующей линии (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой через разрядник-обостритель с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, передающую линию (ПЛ), подключенную к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом ФЛ и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, корпус выходной ФЛ выполнен большего диаметра, чем корпус передающей линии, и снабжен крышкой с отверстием, являющейся частью корпуса выходной ФЛ, причем к крышке по периметру отверстия подсоединен корпус передающей линии, высоковольтный токопровод выходной ФЛ выполнен в виде диска, края которого по всему периметру образуют с внутренней поверхностью корпуса выходной ФЛ множественные искровые разрядники, а центральная часть высоковольтного токопровода выходной ФЛ соединена с начальной частью высоковольтного токопровода ПЛ через электрическую емкость. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для формирования субнаносекундных импульсов, содержащее зарядный источник импульсного напряжения, систему формирования импульсов, состоящую из формирующей линии (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой через разрядник-обостритель с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, передающую линию (ПЛ), подключенную к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом ФЛ и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, отличающееся тем, что корпус выходной ФЛ выполнен большего диаметра, чем корпус ПЛ, и снабжен крышкой с отверстием, являющейся частью корпуса выходной ФЛ, причем к крышке по периметру отверстия подсоединен корпус ПЛ, высоковольтный токопровод выходной ФЛ выполнен в виде диска, края которого по всему периметру образуют с внутренней поверхностью корпуса выходной ФЛ множественные искровые разрядники, а центральная часть высоковольтного токопровода выходной ФЛ соединена с начальной частью высоковольного токопровода ПЛ через электрическую емкость. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что множественные искровые разрядники образованы высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и внутренней поверхностью крышки. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что множественные искровые разрядники образованы высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса выходной ФЛ. 4. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что диск выполнен с отогнутой в сторону крышки кромкой по всему периметру диска, образующей с поверхностью крышки множественные искровые разрядники. 5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что края диска, образующие множественные искровые разрядники, выполнены более тонкими, чем сам диск. 6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что по внешнему периметру диска встроены стержни, образующие с токопроводом нулевого потенциала выходной ФЛ множественные искровые разрядники. 7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что в диске выполнены прорези, радиально сходящиеся к центру. 8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что между высоковольтным токопроводом выходной ФЛ и высоковольтным токопроводом ПЛ встроена диэлектрическая втулка.