УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2007 года по МПК H03K3/537 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для создания субнаносекундных импульсов, например, в локационных системах, в ускорителях заряженных частиц, лазерах.

Известны устройства для формирования высоковольтных импульсов напряжения и тока, в которых формирование импульсов с наносекундной длительностью достигается путем использования малоиндуктивных конденсаторов и коммутаторов-обострителей, подключенных к выходу генераторов импульсных напряжений (ГИН) Аркадьева-Маркса [1].

При срабатывании ГИН на его выходе появляется импульс напряжения, амплитуда которого близка к величине n·U_cm, где n - количество ступеней ГИН, U_cm - зарядное напряжение ступени ГИН. Этот импульс прикладывается к малоиндуктивному конденсатору, подключенному на выходе ГИН, конденсатор заряжается. В определенный момент времени, когда амплитуда импульса напряжения на конденсаторе будет близка к n·U_cm, пробивается коммутатор-обостритель и малоиндуктивный конденсатор начинает разряжаться на нагрузку. Электрическая емкость этого конденсатора подобрана таким образом, чтобы запасаемой энергии было достаточно для формирования фронта импульса и его амплитуды. Остальная часть импульса формируется за счет энергии, запасаемой в накопительных конденсаторах ГИН. Так как время коммутации коммутатора-обострителя мало, а индуктивность разрядного контура: малоиндуктивный конденсатор - конденсатор-обостритель - нагрузка достаточно низкая, на нагрузке формируется высоковольтный импульс с коротким (наносекундным) фронтом. Происходит своеобразная компенсация большой индуктивности ГИН в течение времени формирования фронта импульса.

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая скорость срабатывания коммутатора-обострителя из-за небольших перенапряжений на нем. При формировании импульсов с субнаносекундными фронтами для увеличения скорости коммутации коммутаторов применяют две и более ступени обострения импульсов.

Известно устройство для формирования высоковольтных наносекундных импульсов [2], содержащее первичный накопитель энергии - импульсный трансформатор, первую формирующую линию (ФЛ), первый коммутатор-обостритель, вторую ФЛ, второй коммутатор-обостритель, передающую линию (ПЛ), нагрузку.

Работает устройство следующим образом. После срабатывания импульсного трансформатора происходит зарядка первой ФЛ и последующий пробой первого коммутатора-обострителя. Первая ФЛ разряжается на вторую ФЛ в течение единиц-десятков наносекунд, и на втором коммутаторе-обострителе из-за быстрого нарастания напряжения возникает сильное перенапряжение. В результате второй коммутатор-обостритель срабатывает за доли наносекунд. ПЛ без искажения передает импульс к нагрузке, на которой формируется импульс с фронтом в доли наносекунд. Длительность импульса определяется электрическими длинами формирующих линий.

Недостатком данного устройства является то, что при больших уровнях напряжений (от сотен киловольт до мегавольт) изоляционные расстояния в коаксиальной конструкции коммутатора-обострителя существенно влияют на время коммутации второго коммутатора-обострителя и приводят к увеличению длительности фронтов и ширины импульсов из-за влияния индуктивности, так называемой петли коммутации импульсов.

Известно устройство для формирования пикосекундных импульсов напряжения [3], где значительная компенсация индуктивности петли коммутации достигается за счет конического сужения электродов коммутатора-обострителя и внешней оболочки коаксиальной ФЛ в устройстве. Описанное устройство содержит первичный накопитель энергии - импульсный трансформатор, ФЛ, первый коммутатор-обостритель, трансформирующую линию (ТФЛ), соединенную с накопительной формирующей линией (НФЛ), второй коммутатор-обостритель, ПЛ, нагрузку.

При подаче управляющего сигнала включается первичный источник энергии (импульсный трансформатор), происходит зарядка первой ФЛ и последующий пробой первого коммутатора-обострителя и разряд первой ФЛ на ТФЛ, соединенную с НФЛ. После нарастания на НФЛ напряжения, близкого к максимуму, пробивается второй коммутатор-обостритель и по ПЛ к нагрузке распространяется импульс с коротким фронтом. Так как индуктивность искры достаточно велика из-за ее малого (доли миллиметра) диаметра, в зоне искрового промежутка образуется неоднородность из-за скачка волнового сопротивления Z_искр, равного согласно [4]

где ε - диэлектрическая проницаемость рабочей среды коммутатора-обострителя,

D - диаметр разрядной камеры,

d_u - диаметр искры.

Плавные сужения внутренних и внешних проводников коммутатора-обострителя позволяют улучшить согласование первой НФЛ с ПФЛ и уменьшить конструктивную индуктивность элементов электродной системы в разрядной цепи путем уменьшения разницы в диаметрах искры и электродов второго коммутатора-обострителя.

Недостатком данного устройства является то, что дальнейшее уменьшение длительности фронта импульса ограничивается достаточно большой конструктивной индуктивностью емкости конической НФЛ в разрядной цепи.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение длительности фронта субнаносекундных импульсов.

Техническим результатом является обеспечение более эффективной передачи энергии к нагрузке в технике формирования субнаносекундных импульсов.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов, содержащем зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой стороны - с первым коммутатором-обострителем, соединенным через высокоомную ФЛ с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, который через второй коммутатор-обостритель соединен с высоковольтным токопроводом передающей линии (ПЛ), подключенной на выходе к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом формирующих линий и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним.

Дополнительный электрод может быть выполнен в виде полого цилиндра.

Дополнительный электрод может быть выполнен в виде полого усеченного конуса.

Второй электрод второго коммутатора-обострителя может быть выполнен расположенным в полости дополнительного электрода.

Длина дополнительного электрода может быть определена из условия

где t_фо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;

v - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.

Установка дополнительного электрода на первом электроде второго коммутатора-обострителя вызывает образование двух дополнительных электрических емкостей с малой конструктивной индуктивностью за счет уменьшения петли разряда вследствие выбора оптимальных размеров разрядных контуров, образованных емкостью С₃ между дополнительным электродом и внешним токопроводом, емкостью C₄ между дополнительным электродом и вторым электродом второго коммутатора-обострителя, каналом искры и нагрузкой. В момент коммутации дополнительный электрод совместно с искровым каналом образует минимально возможный по размерам и, соответственно, по индуктивности колебательный контур, что позволяет увеличить скорость роста тока через искровой канал после его образования. Это в свою очередь ведет к увеличению скорости нарастания напряжения в ПЛ и на нагрузке. Быстрые электромагнитные процессы в этом контуре позволяют уменьшить длительность фронта импульса тока за счет энергии, накопленной в емкостях С₄ и С₃. Время пробега электромагнитной волны t₀ по поверхности дополнительного электрода определяется по формуле:

где l_о - общая длина пробега волны;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде.

Так как волна формируется после пробоя второго коммутатора-обострителя, то общая длина пробега волны l_о от точки пробоя (вершины конического электрода) приблизительно составляет:

где l - длина дополнительного электрода;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода, закрепленного на первом электроде второго коммутатора-обострителя.

Соответственно время пробега t₀ до конца дополнительного электрода составляет:

где l - длина дополнительного электрода, l=l_o-d/2;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода, закрепленного на первом электроде второго коммутатора-обострителя.

Длительность фронта импульса зависит от времени коммутации второго коммутатора-обострителя и времени пробега волны по дополнительному электроду, т.е. длины и диаметра дополнительного электрода. Чистое время коммутации t_k коммутатора-обострителя в субнаносекундном диапазоне времени измерить практически невозможно, поэтому в расчетах оно задавалось определенной функцией от t_фо. Размеры дополнительного электрода и, соответственно, электрические емкости С₃ и С₄ должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить достаточный энерговклад для колебательного выброса электромагнитной энергии на вершине импульса тока (напряжения) и увеличения крутизны фронта импульса.

Эксперименты и расчеты показали, что существует определенный диапазон длин дополнительного электрода, при котором длительность фронта импульса в устройстве с дополнительным электродом будет меньше по сравнению с длительностью фронта импульса в устройстве без дополнительного электрода.

Этот диапазон определен следующим образом. Для разных значений давления и разного изоляционного расстояния в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов без дополнительного электрода при помощи делителя напряжения, встроенного в коаксиальную ПЛ, регистрируют импульс напряжения на нагрузке. По осциллограмме определяют длительность фронта импульса t_фо (t_фо=0,38 нс при давлении 60 атм и межэлектродном расстоянии 4 мм, t_фо=0,42 нс при давлении 40 атм и межэлектродном расстоянии 6 мм, t_фо=0,48 нс при давлении 30 атм и межэлектродном расстоянии 8 мм). Изменяют длину дополнительного электрода от 5 до 80 мм с шагом в 5 мм. Для каждого шага длины дополнительного электрода расчетным путем определяют значение t₀/t_фо=l_o/νt_фо. Для каждой получившейся точки регистрируют импульс напряжения на нагрузке и определяют значение t_ф для устройства формирования субнаносекундных импульсов с дополнительным электродом. Результат, полученный экспериментально, подтвержден расчетным путем. Получены кривые 1, 2, 3 для разных значений t_фо (фиг.4).

Как видно, существует достаточно явно выраженный минимум длительности фронта импульса для разных значений t_фо при определенных значениях t₀/t_фо. Очевидно, что при малых длинах дополнительного электрода l энергии, накопленной в емкостях, образованных дополнительным электродом и токопроводом с нулевым потенциалом С₃ и дополнительным электродом и вторым электродом второго коммутатора-обострителя С₄, недостаточно, чтобы уменьшить длительность фронта импульса. При больших длинах дополнительного электрода l формирующая линия, образованная дополнительным электродом и основными электродами, не может разрядиться быстрее времени пробега электромагнитной волны по дополнительному электроду. Если это время значительно больше значения t_k, происходит удлинение фронта импульса.

Как следует из фиг.4, минимальные значения t_ф находятся при соотношении t₀/l_фо в пределах (0,08-0,24),

Отсюда получаем:

t₀/t_фо=0,08-0,24,

t₀=(0,08-0,24)t_фо,

учитывая (1) t₀=l₀/ν,

l₀=t₀ν,

определяется общая длина пробега волны

Исходя из вышеизложенного, определение оптимального значения длины дополнительного электрода сводится к следующему. По представленной формуле, измерив предварительно длительность фронта импульса в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов без дополнительного электрода, определяют общую длину пробега волны l_о. Определяют из (2) длину дополнительного электрода l=l_о-d/2, который необходимо установить в коммутатор-обостритель для уменьшения длительности фронта импульса. Диаметр дополнительного электрода d выбирается в основном из соображений обеспечения электрической прочности среды между дополнительным электродом и электродом коммутатора-обострителя, подсоединенным к коаксиальной передающей линии.

Выполнение дополнительного электрода в виде полого цилиндра позволяет наиболее эффективно уменьшить длительность фронта импульса.

Выполнение дополнительного электрода в виде усеченного конуса позволяет усилить его емкостную связь с основными электродами коммутатора-обострителя и увеличить крутизну импульса.

Выполнение второго электрода второго коммутатора-обострителя расположенным в полости дополнительного электрода позволяет наиболее оптимально обеспечить уменьшение длительности фронта импульсов за счет уменьшения волнового сопротивления в канале разряда.

На фиг.1 представлена общая конструкция устройства для формирования субнаносекундных импульсов.

На фиг.2 представлена конструкция второго коммутатора-обострителя с выполнением дополнительного электрода в виде полого цилиндра.

На фиг.3 представлена конструкция второго коммутатора-обострителя с выполнением дополнительного электрода в виде полого усеченного конуса.

На фиг.4 представлены зависимости длительности фронта импульса в ПЛ (или на нагрузке) от величины отношения t_o/t_фо при разных значениях t_фо.

На фиг.5 представлены осциллограммы импульсов напряжения на ФЛ, ПЛ и коммутаторах-обострителях.

Устройство для формирования субнаносекундных импульсов содержит зарядный источник импульсного напряжения 1 (фиг.1), ФЛ 2, образующую электрическую емкость C₁, высоковольтный токопровод 3 которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения 1, а с другой стороны - с первым электродом 4 первого коммутатора-обострителя 5, второй электрод которого 6 соединен через высокоомную ФЛ 7 с высоковольтным токопроводом 8 выходной ФЛ 9, образующей электрическую емкость C₂ (фиг.2), выполненную, например, в виде конической коаксиальной формирующей линии. Высоковольтный токопровод 8 (фиг.1) выходной ФЛ 9 через второй коммутатор-обостритель 10 соединен с высоковольтным токопроводом 11 ПЛ 12, подключенной на выходе к нагрузке 13. Токопроводы с нулевым потенциалом 14, 15, 16 формирующих линий 2, 9 и ПЛ 12 являются их корпусами и соединены друг с другом. На первом электроде 17 второго коммутатора-обострителя 10 закреплен дополнительный электрод 18, имеющий с первым электродом 17 гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним. Установка дополнительного электрода 18 вызывает создание двух дополнительных электрических емкостей с малой конструктивной индуктивностью, образованных дополнительным электродом 18 и токопроводом с нулевым потенциалом 15 С₃ (фиг.2) и дополнительным электродом 18 и вторым электродом 19 второго коммутатора-обострителя 10 C₄. Также существует емкость между электродами 17, 19 второго коммутатора-обострителя 10 С₅.

Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого цилиндра (фиг.2).

Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого усеченного конуса (фиг.3).

Второй электрод 19 второго коммутатора-обострителя 10 может быть выполнен расположенным в полости дополнительного электрода 18 (фиг.3).

Длина дополнительного электрода 18 может быть определена из условия

l_o=(0,08-0,24)t_фо·ν (фиг.4)

где t_фо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;

ν - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.

Устройство работает следующим образом. После включения зарядного источника импульсного напряжения 1 (фиг.1) в момент времени t₁ происходит зарядка емкости C₁ первой формирующей линии 2 (кривая 1) (фиг.5). Электрическая прочность основного промежутка между электродами 4, 6 первого коммутатора-обострителя 5 (фиг.1) определяется геометрией промежутка и свойствами изоляционной среды в рабочем объеме и подбирается таким образом, чтобы пробой промежутка происходил при напряжении, близком к максимальному значению. При пробое между электродами 4, 6 коммутатора 5 в момент времени t₂ (фиг.5) происходит быстрая зарядка емкости C₂ (фиг.2) конической формирующей линии 9 (кривая 2) (фиг.5). Параллельно происходит зарядка электрических емкостей, образованных дополнительным электродом 18 и токопроводом с нулевым потенциалом 15 С₃ (фиг.2) и дополнительным электродом 18 и вторым электродом 19 второго коммутатора-обострителя 10 C₄ (кривая 3), а также междуэлектродной емкости C₅ (кривая 3) (фиг.5). В момент пробоя t₃ второго коммутатора-обострителя 10 (фиг.1) дополнительный электрод 18 совместно с искровым каналом образует минимально возможный по размерам и, соответственно, по индуктивности колебательный контур. Начинает происходить разряд конструктивной емкости C₄ (фиг.2) через искровой канал второго коммутатора-обострителя 10 (кривая 3) (фиг.5). По внутренней поверхности дополнительного электрода 18 начинает распространяться электромагнитная волна, время пробега которой определяется по формуле:

где l₀ - общая длина пробега волны;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде.

Так как волна формируется после пробоя второго коммутатора-обострителя 10, то общая длина пробега волны l_o от точки пробоя (вершины конического электрода) приблизительно составляет:

где l - длина дополнительного электрода 18;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода 18, закрепленного на первом электроде 17 второго коммутатора-обострителя 10.

Соответственно время пробега t до конца дополнительного электрода составляет:

В момент времени t₄ (фиг.5) волна, дойдя до конца дополнительного электрода 18, отражается и начинается перезаряд емкости С₄ (фиг.2), обеспечивая формирование нижней части фронта импульса, часть волны, преломляясь, проходит в ПЛ 12 (кривая 4) (фиг.5). В этот же момент времени начинается разряд емкости С₃ (фиг.2), обеспечивая формирование вершины фронта импульса. Быстрые электромагнитные процессы в колебательном контуре позволяют сформировать крутой фронт импульса тока за счет энергии, накопленной в емкостях C₄ и С₃.

В момент времени t₅ начинается разряд емкостей C₂, обеспечивая на нагрузке 13 формирование соответствующей длительности импульса.

Создание двух дополнительных электрических емкостей C₄ и С₃ с малой конструктивной индуктивностью позволяет увеличить скорость роста тока через искровой канал после его образования. Это в свою очередь ведет к увеличению скорости нарастания напряжения в передающей коаксиальной линии и нагрузке.

Источники информации

1. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука, 1987 г., с 108.

2. Burger I.W., Baum C.E., Prather W.D. Disign anol Development ob a High Voltage Cooaxial Hygrogen gwitch. Proceeding ob SPIE, 2002, V.4720, p.43-58.

3. Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные наносекундные ускорители. М.: Энергоатомиздат, 1991 г., с 21.

4. Х.Мейнке, Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник. М., Госэнергоиздат, 1961 г., с 131.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для создания субнаносекундных импульсов в локационных системах, ускорителях заряженных частиц, лазерах. Достигаемый технический результат - уменьшение длительности фронта субнаносекундных импульсов. Устройство содержит зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию, два коммутатора-обострителя, высокоомную формирующую линию, выходную формирующую линию, передающую линию, при этом на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для формирования субнаносекундных импульсов, содержащее зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой стороны - с первым коммутатором-обострителем, соединенным через высокоомную ФЛ с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, который через второй коммутатор-обостритель соединен с высоковольтным токопроводом передающей линии (ПЛ), подключенной на выходе к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом формирующих линий и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, отличающееся тем, что на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде полого цилиндра.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде полого усеченного конуса.4. Устройство по любому из пп.1- 3, отличающееся тем, что второй электрод второго коммутатора-обострителя выполнен расположенным в полости дополнительного электрода.5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что длина дополнительного электрода определена из условия

где t_фо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;

v - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.