ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2004 года по МПК H03K3/537 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано для формирования коротких сильноточных импульсов высокого напряжения в рентгеновской, высокочастотной и другой аппаратуре.

Известны генераторы высоковольтных импульсов (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.17-21), содержащие одну или несколько формирующих высоковольтных линий, в которых подключение одной линии к другой линии или к нагрузке осуществляется с помощью обостряющих искровых промежутков, расположенных непосредственно в рабочей среде генератора (газ, масло, вода).

Недостатком таких устройств является малый ресурс из-за интенсивного загрязнения внутреннего объема генератора продуктами распада рабочей среды генератора, невозможность работы в частотном режиме и т.п.

Наиболее близким к заявляемому является портативный генератор субнаносекундных импульсов (Белкин Н.В., Тараканов М.Ю., Тарасов М.Д. Портативный генератор субнаносекундных импульсов быстрых электронов. - ПТЭ, 1987, № 6, с.133 и 134), содержащий коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники, внешним проводником которого является корпус генератора, импульсный источник зарядного напряжения формирующей линии и разрядник-обостритель с металлическим корпусом. Корпус разрядника является внутренним проводником формирующей линии. Зарядка линии осуществляется с помощью импульсного трансформатора.

Недостатком такого генератора является то, что объем и вес генератора резко увеличиваются с возрастанием величины ускоряющего напряжения, что сильно затрудняет создание высоковольтных портативных генераторов на напряжения 1000 кВ и выше.

Увеличение объема и веса генераторов данного класса в основном определяется возрастанием габаритов газового металлокерамического разрядника-обострителя, которые резко увеличиваются с увеличением пробивного напряжения разрядника. При использовании описанной конструкции генератора на напряжения выше 1000 кВ также возникают серьезные технологические проблемы, связанные с производством и пайкой больших керамических изоляторов.

Задачей данного изобретения является создание компактного генератора с высокими надежностью и ресурсом.

Техническим результатом является уменьшение габаритов и веса генератора высоковольтных импульсов с сохранением его ресурса работы и надежности.

Технический результат достигается за счет того, что по сравнению с известным генератором высоковольтных импульсов, содержащим коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники, импульсный источник зарядного напряжения формирующей линии и разрядник-обостритель с металлическим корпусом, при этом внешним проводником линии является корпус генератора, новым является то, что внутренний проводник формирующей линии выполнен в виде полого стакана, ко дну которого подключен один из электродов разрядника-обострителя, часть корпуса разрядника-обострителя расположена внутри стакана, а другая часть - внутри корпуса генератора, при этом разрядник-обостритель выполнен с двумя коническими изоляторами, расположенных соосно с его корпусом.

Частным случаем достижения технического результата является вариант генератора, в котором корпус разрядника-обострителя имеет одинаковый диаметр по всей длине, длины участков корпуса разрядника, расположенных внутри стакана и корпуса генератора, равны, при этом внутренние диаметры стакана и участка корпуса генератора, в котором расположен разрядник-обостритель, также равны.

В предлагаемом варианте генератора высоковольтных импульсов для достижения указанного технического результата использован металлокерамический газовый разрядник, который имеет меньший диаметр при той же длине, чем разрядник из описанного генератора. Это достигается тем, что разрядник имеет не один, а два изолятора меньшего диаметра, чем изолятор разрядника - прототипа, рассчитанный на напряжение зарядки формирующей линии; на каждом из двух изоляторов в процессе работы разрядника выделяется только часть напряжения зарядки формирующей линии; при этом сумма напряжений на изоляторах будет равна напряжению зарядки формирующей линии.

Указанное уменьшение напряжения на каждом из изоляторов достигается в результате того, что часть металлического корпуса разрядника-обострителя расположена внутри внутреннего проводника формирующей линии, а другая часть - внутри корпуса генератора, при этом из-за наличия конструктивных емкостей корпуса разрядника на внутренний проводник линии и на корпус генератора напряжение на корпусе разрядника составляет только часть напряжения зарядки формирующей линии.

В частном случае, когда корпус разрядника-обострителя имеет одинаковый диаметр по всей длине, длины участков корпуса разрядника, расположенных внутри внутреннего проводника формирующей линии и корпуса генератора, равны, внутренние диаметры внутреннего проводника формирующей линии и участка корпуса генератора, в котором расположен разрядник-обостритель, также равны, обеспечивается равенство конструктивных емкостей; при этом напряжение на корпусе разрядника равно половине напряжения зарядки линии.

На фиг.1 схематически изображена конструкция генератора импульсов высокого напряжения.

На фиг.2 изображена электрическая схема замещения генератора импульсов высокого напряжения.

Генератор высоковольтных импульсов (фиг.1) содержит коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники. Внешним проводником линии является герметичный корпус 1 генератора, а внутренним проводником является кондуктор 2. В корпусе 1 располагается также разрядник-обостритель 3 с металлическим корпусом. К высоковольтному выводу разрядника подключается нагрузка R_н. Импульсный источник 4 зарядного напряжения формирующей линии представляет собой трансформатор Тесла, состоящий из первичной и вторичной обмоток. Кондуктор 2 и разрядник-обостритель 3 закреплены на каркасе вторичной обмотки импульсного трансформатора. Внутренний проводник формирующей линии (кондуктор 2) выполнен в виде полого стакана, ко дну которого подключен один из электродов разрядника-обострителя 3, часть корпуса разрядника-обострителя 3 расположена внутри кондуктора 2, а другая часть - внутри корпуса 1 генератора, при этом разрядник-обостритель 3 выполнен с двумя коническими изоляторами, расположенными соосно с его корпусом и закрепленными своими большими основаниями на торцах корпуса. На меньших основаниях изоляторов закреплены электроды.

На электрической схеме емкость C₁ формирующей линии образована корпусом 1 и кондуктором 2 генератора (фиг.1). Емкость С₂ образована кондуктором 2 и корпусом разрядника 3. Емкость С₃ образована корпусом разрядника 3 и корпусом 1 генератора. Последовательно включенные емкости С₂ и С₃ образуют емкостной делитель напряжения. При подаче зарядного импульса U_зap на формирующую линию C₁ этот делитель обеспечивает напряжение на корпусе разрядника равным

В частном случае, когда С₂=С₃, напряжение на корпусе будет равно половине напряжения зарядки линии. Если оба изолятора разрядника при этом выполнены одинаковыми, обеспечивается максимальная электропрочность вдоль поверхностей изоляторов.

Генератор работает следующим образом. При подаче напряжения зарядки с импульсного трансформатора 4 на формирующую линию происходит одновременная зарядка емкости линии C₁ и делителя напряжения, образованного емкостями С₂ и С₃. По схеме (фиг.2) видно, что при этом на корпусе разрядника 3 и, следовательно, на его изоляторах выделяется напряжение, составляющее только часть напряжения зарядки формирующей линии. Это дает возможность использовать изоляторы с уменьшенными габаритами. При увеличении напряжения зарядки линии до напряжения пробоя разрядника происходит срабатывание последнего и подключение линии к нагрузке R_н. Последовательная цепочка малоиндуктивных емкостей С₂, С₃ также разряжается на нагрузку, поэтому наличие С₂ и С₃ не приводит к уменьшению кпд генератора.

В примере конкретного выполнения был изготовлен генератор высоковольтных импульсов, в котором были использованы два металлокерамических узла от разрядников РИМ100/35, объединенных в одном корпусе согласно конструкции на фиг.1. Разрядник был заполнен водородом под давлением 40 ати. При напряжении пробоя разрядников РИМ 100/35 с одним изолятором 120 кВ (при фронте нарастания напряжения 0,5-0,7 мкс) генератор с двухизоляторным разрядником на базе металлокерамических узлов от РИМ 100/35 обеспечивал импульсы выходного напряжения амплитудой 240 кВ и имел диаметр корпуса 75 мм. Аналогичный генератор на разряднике с одним изолятором имел диаметр 90 мм. Длина обоих генераторов одинакова.

Таким образом, применение в генераторах высоковольтных импульсов разрядников-обострителей с двумя изоляторами в сочетании с емкостным делителем напряжения позволяет уменьшить габариты на 30-40% и соответственно на 50-65% массу генераторов.

Область техники: изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано для формирования коротких сильноточных импульсов высокого напряжения, например в рентгеновской, высокочастотной и другой аппаратуре. Технический результат: уменьшение габаритов и веса генератора высоковольтных импульсов с сохранением его ресурса работы и надежности. Генератор высоковольтных импульсов содержит коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники, импульсный источник зарядного напряжения формирующей линии и разрядник-обостритель с металлическим корпусом. Внешним проводником является корпус генератора. Внутренний проводник формирующей линии выполнен в виде полого стакана, ко дну которого подключен один из электродов разрядника-обострителя. Часть корпуса разрядника-обострителя расположена внутри стакана, а другая часть - внутри корпуса генератора, при этом разрядник-обостритель выполнен с двумя коническими изоляторами, расположенными соосно с его корпусом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор высоковольтных импульсов, содержащий коаксиальную формирующую линию, включающую внутренний и внешний проводники, подключенную к импульсному источнику зарядного напряжения формирующей линии, и разрядник-обостритель с металлическим корпусом, при этом внешним проводником линии является корпус генератора, отличающийся тем, что внутренний проводник формирующей линии выполнен в виде полого стакана, ко дну которого подключен один из электродов разрядника-обострителя, часть корпуса разрядника-обострителя расположена внутри стакана, а другая часть - внутри корпуса генератора, при этом разрядник-обостритель выполнен с двумя коническими изоляторами, расположенными соосно с его корпусом.2. Генератор высоковольтных импульсов по п.1, отличающийся тем, что корпус разрядника-обострителя имеет одинаковый диаметр по всей длине, длины участков корпуса разрядника, расположенных внутри стакана и корпуса генератора, равны, при этом внутренние диаметры стакана и участка корпуса генератора, в котором расположен разрядник-обостритель, также равны.