ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНЕЙНО НАРАСТАЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 2007 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для формирования с высокой частотой следования импульсов высокого напряжения микросекундной длительности, для генерации пучков заряженных частиц.

Для получения импульсов высокого напряжения, генерации сильноточных электронных или ионных пучков наносекундной длительности применяются линейные индукционные ускорители (ЛИУ) [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов Физика. Издание ТГУ, 1998, №4, Приложение, с.111-119]. Данное устройство содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных индукторов, охваченных витками намагничивания. К виткам намагничивания подключены электроды формирующей линии. На один из электродов формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности, амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии, представляющего собой дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитной стали и установленного в разрыве любого из электродов, одинарная формирующая линия разряжается на витки индукционной системы, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных индукторов. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее заряженные частицы. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как:

где N - число индукторов; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (напряжение формирующей линии); L - длина индукционной системы. Выше описана конструкция ускоряющей секции ЛИУ. Если по оси индукционной системы расположить металлический электрод, то на нем будет индуцироваться вихревая ЭДС и разность потенциалов на противоположных торцах электрода составит: U_вых(t)=-NU(t). Такая конструкция используется для инжекторных (катодной или анодной) секций линейных индукционных ускорителей. Следует отметить, что инжекторные секции могут применяться самостоятельно в качестве генераторов высоковольтных импульсов для питания приборов типа релятивистский магнетрон или отражательный триод.

Принципиальным отличием линейного индукционного ускорителя от других типов ускорителей, например ускорителя прямого действия, является использование магнитного коммутатора формирующей линии. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать с частотой в единицы килогерц ток в сотни килоампер. Однако в этом случае требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время сотни наносекунд от магнитных импульсных генераторов, в противном случае размеры, а значит индуктивность такого коммутатора становятся недопустимо большими. Для зарядки формирующих линий применяются магнитные импульсные генераторы, представляющие собой последовательность N звеньев сжатия (LC контуров с увеличивающейся собственной частотой). Каждое звено сжатия содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов звеньев сжатия С₁, С₂, ... С_N равны между собой и равны емкости С_фл одинарной формирующей линии. Каждый следующий дроссель насыщения L_i по сравнению с предыдущим L_i-1 имеет меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника. Поэтому процессы передачи энергии от одного звена сжатия к последующему звену происходят за меньший интервал времени, чем обеспечивается компрессия энергии для зарядки формирующей линии за малый промежуток времени (сотни наносекунд).

Подобные линейные индукционные ускорители могут работать с частотой следования импульсов в единицы килогерц. Основной их недостаток - короткая длительность импульса выходного напряжения (не более 200 нс). Это связано: 1) с применением формирующих линий, имеющих ограниченную длину, 2) с использованием магнитных коммутаторов, способных обеспечивать зарядку формирующих линий с электрической длиной 0,5-1 мкс, только при значительной массе ферромагнитного материала, 3) с использованием ферромагнитной индукционной системы, способной трансформировать импульс напряжения ограниченное время до момента насыщения ферромагнитных индукторов. Допустимый интервал времени Δt от момента подачи прямоугольного импульса напряжения амплитудой U до момента насыщения индукторов определяется по следующей формуле:

где Ψ=ω·S·ΔВ - потокосцепление индукционной системы, ω - число витков намагничивания ферромагнитных индукторов индукционной системы, S - сечение стали ферромагнитных индукторов, ΔВ - размах магнитной индукции в стали индукторов. Для получения выходного импульса прямоугольной формы или близкой к ней изготавливают индукционные системы с одним витком намагничивания индукторов. Увеличение числа витков намагничивания до двух приводит к увеличению примерно в 4 раза индуктивности разрядного контура, образованного емкостью формирующей линии и индуктивностями магнитного коммутатора и витков намагничивания. При этом в 2 раза увеличивается длительность импульса выходного напряжения при пропорциональном уменьшении его амплитудных параметров (максимальная мощность в импульсе уменьшается в 2 раза). Выходной импульс напряжения индукционной системы приобретает колоколообразный вид. В случае использования линейного индукционного ускорителя для формирования пучков заряженных частиц следует ожидать большого энергетического разброса частиц. Увеличение потокосцепления индукционной системы ограничено размером выпускаемых ферромагнитных индукторов, а величина ΔВ ограничена свойствами ферромагнитного материала. Исходя из изложенного, линейные индукционные ускорители изготавливаются для формирования импульсов выходного напряжения наносекундной длительности.

Наиболее близким техническим решением является конструкция линейного индукционного ускорителя [Винтизенко И.И. Линейный индукционный ускоритель. Патент РФ №2265973, МПК Н05Н 5/08, опубл. 10.12.2005, бюл. №34]. Для формирования высоковольтных импульсов микросекундной длительности применяется линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему в виде набора ферромагнитных индукторов, охваченных витками намагничивания. Выводы витков намагничивания с каждой стороны индукторов объединены между собой и подключены к выводам последних звеньев сжатия нескольких (m) параллельно включенных магнитных импульсных генераторов. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность N≥2 звеньев сжатия с увеличивающейся собственной частотой, каждое из которых состоит из конденсатора с сосредоточенными параметрами и дросселя насыщения.

Величины потокосцеплений дросселей насыщения последних звеньев сжатия каждого магнитного импульсного генератора отличаются друг от друга (Ψ_1N<Ψ_2N<...<Ψ_mN) на величину диапазона, равную: , где U_iN - напряжение на конденсаторах последних звеньев сжатия i-го магнитного импульсного генератора, L_iN - индуктивность обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия, C_iN - емкость конденсаторов последних звеньев сжатия. Значение 0.5 соответствует включению i-го магнитного импульсного генератора в максимуме импульса тока разряда предыдущего (i-1)-го магнитного импульсного генератора. В этом случае формируется выходной импульс с формой, близкой к прямоугольной. Значение 1 соответствует включению i-го магнитного импульсного генератора в момент окончания импульса тока разряда предыдущего магнитного импульсного генератора. При этом значении выходной импульс, формируемый индукционной системой, имеет максимальную длительность.

При таком способе формирования импульсов высокого напряжения допустимо применение индукторов индукционной системы с многовитковыми витками намагничивания, что позволяет значительно (в число используемых витков раз) сокращать весогабаритные и стоимостные показатели индукционной системы. Естественно, что в этом случае для сохранения коэффициента трансформации индукционной системы, обычно равного числу индукторов, необходимо применять многовитковую вторичную обмотку. Причем для получения более высоких значений выходного напряжения число витков вторичной обмотки может превышать число витков намагничивания индукторов. В этом случае индукционная система ЛИУ преобразуется в линейный высоковольтный импульсный трансформатор. Подобные конструкции описаны, например, в [Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. Ленинград, Энергоатомиздат, 1981, с.178-180]. В таких системах применение нескольких последовательно установленных индукторов (магнитопроводов) относительно малого размера по принципу индукционной системы ЛИУ позволяет отказаться от использования магнитопроводов большого размера, которые не всегда могут быть изготовлены. Кроме того, применение набора индукторов позволяет уменьшить индуктивность разрядной цепи последних звеньев сжатия в число используемых индукторов раз, тем самым уменьшить длительность переднего фронта выходного импульса и уменьшить энергетический разброс частиц пучка.

Задачей предлагаемого изобретения является создание генератора высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности. Необходимость формирования импульсов с подобными характеристиками вызвана тем, что часто инжекторные секции линейных индукционных ускорителей используются в качестве высоковольтных генераторов для питания взрывоэмиссионных диодов, релятивистских магнетронов, отражательных диодов и виркаторов. В таких системах разлет катодной и анодной плазмы вызывает изменение ускоряющего зазора в течение действия импульса высокого напряжения. Обычно наблюдается снижение импеданса диода и, как следствие, уменьшение амплитуды выходного напряжения в течение импульса. Это приводит к уменьшению энергии частиц пучка. Для коррекции спада напряжения может быть использован предлагаемый генератор, позволяющий стабилизировать уровень напряжения на диоде, т.е. формировать пучки заряженных частиц одинаковой энергии в различные моменты импульса.

Техническим результатом является осуществление последовательного разряда конденсаторов разной емкости через обмотки дросселей насыщения последних звеньев сжатия нескольких (двух или более) магнитных импульсных генераторов на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. Причем емкости конденсаторов и индуктивности обмоток дросселей насыщения находятся в определенной связи между собой.

Для решения поставленной задачи генератор высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности, как и прототип, содержит высоковольтный импульсный трансформатор в виде набора ферромагнитных индукторов. Ферромагнитные индукторы охвачены витками намагничивания, выводы витков намагничивания всех индукторов, выходящие с каждой стороны индукторов, соединены между собой и электрически связаны с выводами последних звеньев сжатия m магнитных импульсных генераторов. Магнитные импульсные генераторы имеют N≥2 звеньев сжатия, образуемых конденсаторами и дросселями насыщения, при этом магнитные импульсные генераторы включены параллельно и имеют дроссели насыщения последних звеньев сжатия с разными величинами потокосцепления.

В отличие от прототипа в предлагаемом генераторе для формирования выходного импульса напряжения с нарастающей амплитудой емкости конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов находятся в следующем отношении: C_1N<kC_2N<...<kC_mN, где k=1,1-2, причем должно выполняться условие: C_1N·L_1N≈C_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN, где L_1N, L_2N, ..., L_mN - индуктивности обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов.

Принципиальная схема генератора высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности изображена на чертеже, где обозначено: 1 - высоковольтный импульсный трансформатор, состоящий из нескольких последовательно установленных индукторов (на чертеже показаны четыре индуктора), 2 - витки намагничивания индукторов, образующие первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора, 3 - первый магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов С₁₁-C_1N и дросселей насыщения L₁₁-L_1N, 4 - второй магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов С₂₁-C_2N и дросселей насыщения L₂₁-L_2N, 5 - m-й магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов C_m1-C_mN и дросселей насыщения L_m1-L_mN, 6 - вторичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора, нагруженная на нелинейное динамическое сопротивление нагрузки 7.

Генератор высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности содержит высоковольтный импульсный трансформатор 1 из последовательно установленных ферромагнитных индукторов. Ферромагнитные индукторы охвачены витками намагничивания, имеющими выводы 2. Количество витков намагничивания может превышать один. Выводы витков намагничивания, выходящие с каждой стороны индукторов, электрически связаны. Витки намагничивания индукторов совместно с их выводами образуют первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. К выводам витков намагничивания 2 подключены последние звенья сжатия магнитных импульсных генераторов 3, 4, 5 общим количеством m. Магнитные импульсные генераторы 3, 4, 5 имеют одинаковую электрическую схему и принцип работы, состоят из последовательных LC звеньев сжатия. Вторичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора охватывает все индукторы и подключена к сопротивлению нагрузки 7 (например, электронный или ионный диод).

Генератор высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (не указаны) производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L₁₁-L_1N первого магнитного импульсного генератора 3, сердечников дросселей насыщения L₂₁-L_2N второго магнитного импульсного генератора 4, сердечников дросселей насыщения L_m1-L_mN m-ых магнитных импульсных генераторов 5 и индукторов высоковольтного импульсного трансформатора 1. От внешнего источника питания (не указан), например, конденсаторная батарея разряжается через высоковольтный трансформатор при включении игнитронного или тиристорного коммутатора, осуществляется одновременный заряд конденсатора С₁₁ первого звена сжатия первого магнитного импульсного генератора 3, конденсатора C₂₁ первого звена сжатия второго магнитного импульсного генератора 4, конденсатора С_m1 первого звена сжатия m-го магнитного импульсного генератора 5. Рассмотрим происходящие процессы в элементах магнитных импульсных генераторов на примере магнитного импульсного генератора 3, поскольку во всех магнитных импульсных генераторах протекают аналогичные процессы.

При заряде С₁₁ на выводах дросселя насыщения L₁₁ появляется разность потенциалов U_C11, вызывающая протекание тока намагничивания по обмотке и перемагничивание сердечника дросселя насыщения L₁₁. Потокосцепление дросселя насыщения L₁₁ составляет: ψ₁₁=ω₁₁S₁₁ΔB, где ω₁₁ - число витков, S₁₁ - сечение стали дросселя, ΔB - размах индукции (например, ΔВ=2,5 Т для пермаллоя 50 НП), и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда С₁₁. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от μ=10⁵ до μ=1 и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд С₁₁ и заряд С₁₂ через обмотку дросселя L₁₁ в интервале времени:

Длительность процесса заряда С₁₂ ограничена величиной потокосцепления дросселя насыщения L₁₂. При заряде конденсатора С₁₂ к обмотке дросселя насыщения L₁₂ начинает прикладываться разность потенциалов:

где , U_C11 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора С₁₁. Среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения в интервале времени [0, π] составит:

Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L₁₂ и переход его в состояние с μ→1. Поэтому , где ψ₁₂=ω₁₂S₁₂ΔB - потокосцепление дросселя насыщения (ω₁₂, S₁₂ - число витков и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₁₂, ΔB - размах индукции в стали).

При насыщении дросселя L₁₂ начинается разряд конденсатора С₁₂ и заряд конденсатора C₁₃ через обмотку дросселя насыщения L₁₂. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₁₃:

где (ω₁₃, S₁₃ - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₁₃),

Аналогично предыдущим рассуждениям:

где ω_1N, S_1N - число витков и сечение стали дросселя насыщения последнего звена сжатия первого магнитного импульсного генератора 3. Используя соотношения (3)-(7), рассчитывают параметры элементов магнитных импульсных генераторов. Обычно при их изготовлении выбирают С₁₁=С₁₂=...=С_1N и в этом случае <U₁>=<U₂>=...=<U_N-1>==1/2U_C11=1/2U_C12=1/2U_C1N-1=1/2U_C1N, где U_C11, U_C12, ... U_C1N - амплитуды зарядного напряжения конденсаторов магнитного импульсного генератора. Аналогично выбирают: С₂₁=С₂₂=...=С_2N, С_m1=С_m2=...=С_mN и <U₁>=<U₂>=...=<U_N-1>==1/2U_C11=1/2U_C12=...=1/2U_C1N-1=1/2U_C1N=1/2U_C21=1/2U_C22=...=1/2U_C2N-1=1/2U_C2N==1/2U_Cm1=1/2U_Cm2=...=1/2U_CmN-1=1/2U_CmN. Отметим, что в общем случае емкости конденсаторов первого С₁₁=...=C_1N, второго С₂₁=...=C_2N и m-го C_m1=...=C_mN магнитных импульсных генераторов могут быть не равны между собой.

Для того чтобы происходила компрессия энергии, потокосцепление дросселя насыщения последующего звена сжатия должно быть меньше потокосцепления дросселя насыщения предыдущего звена: Ψ_1N<Ψ_1N-1<...<Ψ₁₂<Ψ₁₁, (Ψ_2N<Ψ_2N-1<...<Ψ₂₂<Ψ₂₁, Ψ_mN<Ψ_mN-1<...<Ψ_m2<Ψ_m1), что достигается соответствующим выбором параметров дросселей (количество витков обмотки, размеры и материал сердечников, количество сердечников).

Для обеспечения временной задержки разряда конденсаторов последних звеньев сжатия C_1N, ..., C_mN на витки намагничивания индукторов через обмотки дросселей L_1N, ..., L_mN дроссели насыщения имеют увеличивающееся с номером магнитного импульсного генератора потокосцепление: Ψ_1N<Ψ_2N<...<Ψ_mN. Это осуществляется: 1) увеличением числа витков обмоток, 2) увеличением сечения стали ферромагнитных сердечников, 3) выбором материала сердечников с различной величиной размаха магнитной индукции в стали, 4) комбинацией указанных способов.

Отличием от известного технического решения является применение для формирования выходного линейно нарастающего импульса напряжения конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов различной емкости: C_1N<kC_2N<...<kC_mN, где k=1,1-2.

Импульс тока разряда конденсатора C_1N последнего звена сжатия первого магнитного импульсного генератора через последовательно включенные индуктивность обмотки дросселя насыщения L_1N и индуктивность первичной обмотки L_u.c. имеет колоколообразный вид. Потокосцепление дросселя насыщения L_2N последнего звена сжатия второго магнитного импульсного генератора выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда первого магнитного импульсного генератора. Величина потокосцепления дросселя насыщения L_mN последнего звена сжатия m-го магнитного импульсного генератора выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда (m-1)-го магнитного импульсного генератора. Суперпозиция импульсов тока разряда конденсаторов последних звеньев сжатия всех магнитных импульсных генераторов позволяет формировать высоковольтному трансформатору импульс напряжения микросекундной длительности на нагрузке.

Применение в последних звеньях сжатия магнитных импульсных генераторов конденсаторов разной емкости и их разряд через соответствующие индуктивности обмоток дросселей насыщения и индуктивность первичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора приводит к формированию разрядных токов различной амплитуды. При этом выполнение условия С_1N·L_1N≈С_2N·L_2N≈...≈С_mN·L_mN позволяет обеспечить примерно равную длительность разрядных импульсов всех магнитных импульсных генераторов. Величина k задает скорость роста выходного напряжения в течение импульса. При k=1 формируется квазипрямоугольный импульс напряжения (этот случай соответствует параметрам элементов прибора-прототипа), а при k>2 выходной импульс напряжения генератора имеет значительные осцилляции.

В общем случае величина разрядного тока конденсаторов последних звеньев сжатия через обмотки дросселей насыщения и первичную обмотку трансформатора на омическую нагрузку определяется следующим соотношением:

где L_iN - индуктивность разрядного контура, включающая индуктивность обмотки дросселя насыщения последнего звена сжатия i-го магнитного импульсного генератора, индуктивность витков намагничивания индукторов высоковольтного импульсного трансформатора, С_iN - емкость конденсатора последнего звена сжатия i-го магнитного импульсного генератора, U_CiN - разрядное напряжение конденсатора С_iN, R_load=R/N² - приведенное сопротивление нагрузки, где N - коэффициент трансформации трансформатора, R - сопротивление нагрузки.

Длительность импульса разряда С_iN через индуктивность обмотки дросселя насыщения L_iN и индуктивность витков намагничивания индукторов L_u.c. составляет:

Для формирования генератором импульса напряжения с наименьшей амплитудой осцилляции необходимо обеспечить примерное равенство длительностей разрядных импульсов отдельных магнитных импульсных генераторов. Это приводит к необходимости выполнения условия: С_1N·L_1N≈С_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN (следует из формулы (9), и учитывая L_u.c.≪L_1N, L_2N, ..., L_mN, что обычно имеет место на практике).

Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является генератор высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности, изготовленный из трех параллельно включенных магнитных импульсных генераторов. Магнитные импульсные генераторы состоят из двух звеньев сжатия со следующими параметрами элементов: C₁₁=C₁₂=0.123·10^-6 Ф, С₂₁=С₂₂=0.188·10^-6 Ф, С₃₁=С₃₂=0.282·10^-6 Ф. Таким образом, выбираем коэффициент k=1.5. Конденсаторы С₁₁, С₁₂, С₂₁, С₂₂, С₃₁, С₃₂ с сосредоточенными параметрами типа К75-74. Дроссели насыщения L₁₁, L₂₁, L₃₁ имеют одинаковые сердечники, изготовленные из N₁=2 колец с внешним D_внешн диаметром 360 мм и внутренним D_внутр диаметром 150 мм, шириной h=25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0.02 мм.

Высоковольтный импульсный трансформатор содержит 14 ферромагнитных индукторов с размерами: внешний и внутренний диаметры 360 и 150 мм, ширина h=25 мм, изготовленных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0.01 мм. По оси индукторов располагается металлическая труба, на которой суммируется вихревая ЭДС. Индукторы охвачены одновитковой первичной обмоткой. Все элементы генератора размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм. Конденсаторы С₁₁, С₂₁, С₃₁ заряжаются до U_C11=U_С21=U_С31=50 кВ (<U>≈25 кВ для всех звеньев сжатия) от внешнего источника питания за интервал времени Δt₀=2 мкс. Чтобы исключить процессы передачи энергии между конденсаторами последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов (электрически развязать их) количество звеньев сжатия должно быть не менее двух. Величина потокосцепления дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁ должна составлять:

Сечение стали сердечников дросселей насыщения L₁₁, L₂₁, L₃₁ составляет:

где К=0.8 - коэффициент заполнения сталью объема сердечника, N₁=2 - число колец, из которых производится сборка сердечника дросселя насыщения.

Для выполнения равенства в формуле (10), т.е. достижения полной передачи энергии из первичного накопителя в конденсаторы первых звеньев сжатия, число витков в обмотках дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁ должно составлять ω₁₁=5. В этом случае индуктивности обмоток дросселей L₁₁, L₂₁ и L₃₁ в насыщенном состоянии сердечников равны:

где a₁₁=80 мм - линейный размер обмотки, D_{внешн.обм.}=380 мм, D_{внутр.обм.}=140 мм - внешний и внутренний диаметры обмоток дросселей насыщения.

Длительность времени разряда С₁₁ на С₁₂, С₂₁ на С₂₂, С₃₁ на С₃₂ составит в соответствии с (3): Δt₁₁=0.49 мкс, Δt₂₁=0.61 мкс, Δt₃₁=0.75 мкс.

Величина потокосцепления дросселей насыщения L₁₂, L₂₂ и L₃₂ должна составлять:

где 0.3 мкс и 0.6 мкс задержка включения второго и третьего магнитных импульсных генераторов на первичную обмотку трансформатора.

Если для изготовления дросселя насыщения L₁₂ применить один сердечник (N₁₂=1) из кольца с внешним D_внешн диаметром 180 мм и внутренним D_внутр диаметром 75 мм, шириной h=25 мм, с коэффициентом заполнения сталью объема сердечника K=0.8, намотанный из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0.02 мм, то сечение стали сердечника составит:

Для выполнения равенства в левой части первой формулы (13) число витков в обмотке дросселя насыщения L₁₂ должно составлять не менее ω₁₂=5. Индуктивность обмотки дросселя L₁₂ в насыщенном состоянии сердечников равна:

где a₁₂=40 мм - линейный размер обмотки, D_{внешн.обм.}=220 мм, D_{внутр.обм.}=50 мм - внешний и внутренний диаметры обмотки дросселя насыщения.

Длительность импульса разряда С₁₂ через индуктивность обмотки дросселя насыщения L₁₂ и индуктивность витков намагничивания индукторов L_u.c. (ориентировочно 0.015 мкГн) составит:

Потокосцепление дросселя насыщения L₂₂ должно превышать величину потокосцепления дросселя насыщения L₁₂ для задержки разряда конденсатора последнего звена сжатия второго магнитного импульсного генератора. Если для изготовления дросселя насыщения L₂₂ использовать 3 ферромагнитных кольца с размерами: внешний и внутренний диаметры 180 и 75 мм, ширина 25 мм и применить трехвитковую обмотку, это позволяет задержать разрядный импульс конденсатора С₂₂ на величину: Δt=0.3 мкс (см. второе уравнение (13)).

Таким образом, второй магнитный импульсный генератор подключается к виткам намагничивания индукторов трансформатора примерно в максимуме импульса тока разряда первого магнитного импульсного генератора.

Индуктивность обмотки дросселя L₂₂ в насыщенном состоянии сердечников равна:

где а₂₂=90 мм, D_{внешн.обм.}=220 мм, D_{внутр.обм.}=50 мм.

Длительность импульса разряда С₂₂ через индуктивности обмотки дросселя насыщения L₂₂ и витков намагничивания L_u.c. составит:

т.е примерно равна Δt₁₂ (формула (15)).

Третий магнитный импульсный генератор увеличивает длительность выходного импульса еще на 0.3 мкс. Для этого дроссель насыщения последнего звена сжатия третьего магнитного импульсного генератора имеет увеличенное потокосцепление и изготавливается из 6 ферромагнитных колец с двухвитковой обмоткой.

Индуктивность обмотки дросселя L₃₂ в насыщенном состоянии сердечников равна:

где a₃₂=180 мм, D_{внешн.обм.}=220 мм, D_{внутр.обм.}=50 мм.

Длительность импульса разряда С₃₂ через индуктивности обмотки дросселя насыщения и витков намагничивания L_u.c. составит:

т.е примерно равна Δt₁₂ и Δt₂₂ (формулы (15) и (17)).

Таким образом, выбирая параметры дросселей насыщения (количество сердечников и число витков обмоток) последних звеньев сжатия параллельно включенных магнитных импульсных генераторов, можно обеспечить задержку момента их включения на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора, а также реализовать разную индуктивность разрядных контуров для примерного равенства длительности разрядных процессов. Применение в предложенном генераторе высоковольтных импульсов микросекундной длительности конденсаторов различной емкости в последних звеньях сжатия магнитных импульсных генераторов обеспечивает различную величину амплитуды разрядного тока, что позволяет получать выходные импульсы линейно нарастающей формы.

Расчет параметров выходного импульса генератора с параметрами элементов, соответствующих приведенным в примере конкретного исполнения, выполнен с применением программного продукта "Electronic Workbench". В результате последовательного разряда конденсаторов последних звеньев сжатия трех магнитных импульсных генераторов на нагрузке 100 Ом формируется линейно нарастающий импульс амплитудой 345 кВ, током 3.45 кА, длительностью 1.5 мкс по основанию при длительности переднего фронта 0.9 мкс, заднего фронта 0.5 мкс.

Количество используемых магнитных импульсных генераторов в генераторе высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности ограничено следующим. При окончании разряда конденсатора последнего звена сжатия первого магнитного импульсного генератора 3 сердечник дросселя насыщения L_1N находится в насыщенном состоянии. При включении на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора второго и третьего магнитных импульсных генераторов 4,5 по обмотке дросселя насыщения L_1N начинает протекать размагничивающий ток под действием разности потенциалов на выводах первичной обмотки. Длительность процесса перемагничивания дросселя ограничена величиной его потокосцепления. В рассмотренном примере конкретного выполнения генератора длительность процесса обратного перемагничивания зависит от формы импульса напряжения на выводах первичной обмотки и составляет ˜1.4 мкс. Поэтому в рассматриваемом примере генератора можно подключить не более трех магнитных импульсных генераторов (m≤3).

Таким образом, в предлагаемом генераторе высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности реализуется оригинальная идея, связанная с подачей на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора разрядных импульсов от нескольких магнитных импульсных генераторов, включаемых с необходимой временной задержкой. Для формирования импульсов линейно нарастающей формы применяются конденсаторы различной емкости в последних звеньев сжатия. При этом емкости конденсаторов и индуктивности обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия должны удовлетворять условию: C_1N·L_1N≈С_2N·L_2N≈...≈С_mN·L_mN.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для формирования высоковольтных импульсов, генерации электронных или ионных пучков микросекундной длительности с высокой частотой следования. Генератор высоковольтных линейно нарастающих импульсов содержит высоковольтный импульсный трансформатор в виде набора ферромагнитных индукторов, охваченных витками намагничивания. С обеих сторон индукторов выводы витков намагничивания электрически объединены и подключены к выводам последних звеньев сжатия двух или более магнитных импульсных генераторов, включенных параллельно. Магнитные импульсные генераторы представляют собой последовательность не менее чем двух звеньев сжатия, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения. Формирование выходного импульса высокого напряжения микросекундной длительности осуществляется за счет последовательного разряда конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов через обмотки дросселей насыщения на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. Задержка подачи импульсов от разных магнитных импульсных генераторов достигается выбором величин потокосцеплений дросселей насыщения последних звеньев сжатия. Для формирования линейно нарастающего импульса выходного напряжения емкости конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов находятся в отношении: C_1N<kC_2N<...<kC_mN, где k=1,1-2 и выполняется условие: C_1N·L_1N≈C_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN, где C_1N, C_2N, ..., C_mN - емкости конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов, L_1N, L_2N, ..., L_mN индуктивности обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов. Техническим результатом заявленного изобретения является осуществление последовательного разряда конденсаторов разной емкости через обмотки дросселей насыщения последних звеньев сжатия нескольких магнитных импульсных генераторов на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. 1 ил.

Генератор высоковольтных линейно нарастающих импульсов микросекундной длительности, содержащий высоковольтный импульсный трансформатор в виде набора ферромагнитных индукторов, охваченных витками намагничивания, выводы витков намагничивания с каждой стороны индукторов соединены между собой и электрически связаны с выводами последних звеньев сжатия m магнитных импульсных генераторов, имеющих N≥2 звеньев сжатия, образуемых конденсаторами и дросселями насыщения, магнитные импульсные генераторы включены параллельно и имеют дроссели насыщения последних звеньев сжатия с разными величинами потокосцепления, отличающийся тем, что емкости конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов выбраны из соотношения C_1N<kC_2N<...<kC_mN, где k=1,1-2 и удовлетворяют условию C_1N·L_1N≈C_2N·L_2N≈...≈C_mN·L_mN, где L_1N, L_2N, ..., L_mN - индуктивности обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов.