ГЕНЕРАТОР АРКАДЬЕВА-МАРКСА Российский патент 2016 года по МПК H03K3/00 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц или других импульсных сильноточных устройствах.

Известен генератор Аркадьева-Маркса, используемый в компактном ускорителе электронов (Н.В. Белкин и др. «Малогабаритный наносекундный ускоритель электронов на 600 кВ», ПТЭ, 1977, №5, с.36-38). Зарядка каскадов генератора осуществляется импульсным трансформатором на замкнутом магнитопроводе. Трансформатор, конденсаторы, разрядники и другие элементы каскадов генератора расположены в едином герметичном корпусе в среде трансформаторного масла и закреплены на плоской вертикальной стойке из листового оргстекла. Оси конденсаторов параллельны между собой и перпендикулярны стойке, оси разрядников расположены под углом 45° к плоскостям осей конденсаторов в каскадах, плоскость осей разрядников параллельна плоскости стойки.

Недостатком этого генератора является сравнительно низкая плотность компоновки указанных элементов, приводящая к снижению масс-габаритных показателей устройства.

Наиболее близким к заявляемому является компактный генератор импульсных напряжений Аркадьева-Маркса (Патент RU №2091980, МПК ⁶ H03K 3/00, H05K 7/02, H05G 1/24. «Генератор импульсов напряжения». Эльяш С.Л., Москвин Н.И., Королев В.Н., Калиновская Н.И., опубликовано 27.09.1997), в каждом каскаде которого конденсаторы собраны в пакет, ось разрядника параллельна оси пакета конденсаторов, оси всех пакетов конденсаторов расположены в одной плоскости, а в другой плоскости, параллельной первой, находятся оси разрядников, все элементы генератора расположены в металлическом герметичном корпусе. Разрядники выполнены двухэлектродными, зарядка каскадов генератора осуществляется импульсным трансформатором. Использование указанной компоновки позволило при сохранении выходных параметров примерно в полтора раза уменьшить массу и объем генератора.

При этом он обладает следующими недостатками:

- при разборке генератора и сливе трансформаторного масла в слоистый диэлектрик трансформатора попадает воздух; его удаление после сборки генератора требует длительной вакуумной откачки и может стать причиной снижения надежности работы трансформатора;

- импульсное питание к трансформатору подводится через высоковольтный разъем, установленный на обечайке цельного корпуса генератора, что в процессе сборки сильно затрудняет пайку вывода первичной обмотки трансформатора к разъему;

- использование неуправляемых разрядников приводит к снижению стабильности выходных напряжений генератора.

Все перечисленные факторы приводят к снижению надежности генератора и стабильности его выходных напряжений.

Задачей данного изобретения является создание компактного генератора Аркадьева-Маркса со стабильными характеристиками и повышенной надежностью работы.

Техническим результатом является повышение качества сборки и надежности работы компактного генератора Аркадьева-Маркса при сохранении масс-габаритных характеристик. Дополнительным техническим результатом является повышение стабильности выходных напряжений.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным компактным генератором Аркадьева-Маркса, содержащим несколько каскадов с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, а также импульсный зарядный трансформатор, все элементы генератора расположены в металлическом герметичном корпусе, новым является то, что разрядник первого каскада выполнен управляемым и снабжен системой запуска, корпус генератора разделен на две секции с фланцами, в одной секции расположен импульсный зарядный трансформатор и система запуска, каскады генератора установлены в другой секции и закреплены на металлической пластине, причем пластина зажата между смежными фланцами секций корпуса до смыкания торцевых прилегающих поверхностей пластины и фланцев и имеет отверстия, в которых с радиальным зазором относительно краев отверстий установлены диэлектрические держатели высоковольтных выводов импульсного трансформатора и системы запуска.

Выполнение разрядника первого каскада управляемым и использование системы запуска позволяет компенсировать дрейф его напряжения самопробоя в процессе эксплуатации и стабилизировать его напряжение срабатывания. Поэтому применение управляемого разрядника с системой запуска способствует повышению надежности работы и стабильности выходных напряжений генератора.

Выполнение корпуса генератора двухсекционным позволяет:

- осуществлять раздельную сборку секций; при этом пайка вывода первичной обмотки зарядного трансформатора к высоковольтному разъему, установленному на корпусе секции трансформатора, легко осуществляется через открытое торцевое отверстие секции; это позволяет строго контролировать пространственное расположение высоковольтных выводов обмоток трансформатора, что способствует повышению его электропрочности и, соответственно, надежности генератора;

- располагать трансформатор в отдельной автономной секции и этим предотвратить попадание воздуха в диэлектрик высоковольтной обмотки трансформатора при разборке каскадной части генератора. После сборки генератора требуется только кратковременная вакуумная откачка, занимающая времени в несколько раз меньше, чем полное удаление воздуха из слоистого диэлектрика.

Расположение системы запуска разрядника первого каскада в секции с зарядным трансформатором позволяет сэкономить пространство внутри генератора и тем самым сохранить масс-габаритные характеристики, присущие генератору по прототипу.

Закрепление каскадов генератора на металлической пластине при снятом корпусе секции позволяет осуществить качественную сборку генератора, поскольку при этом обеспечен легкий доступ ко всем узлам и деталям генератора, что значительно упрощает технологические операции пайки, закрепления резьбовых соединений и др. Качественная сборка, проведенная в удобных условиях, способствует повышению надежности работы любого устройства.

После закрепления каскадов генератора на пластине, получившаяся сборка устанавливается на секции с импульсным трансформатором таким образом, чтобы в отверстия пластины в объем второй секции прошли высоковольтные выводы от трансформатора и схемы запуска. Здесь они подключаются к соответствующим элементам генератора, после чего на вторую секцию надевается корпус, и пластина зажимается между смежными фланцами обеих секций до смыкания прилегающих поверхностей. При этом обеспечивается и герметизация корпуса и качественный контакт пластины с обеими секциями. Последнее очень важно для предотвращения искрений при протекании больших импульсных токов через указанную сборку.

Для повышения электропрочности конструкции требуется выдерживать максимальные зазоры между высоковольтными выводами трансформатора и схемы запуска и краями отверстий заземленной пластины. Это обеспечивается точной установкой выводов относительно отверстий. Как правило, жесткость проводов, используемых для выводов, недостаточно велика, и случайная деформация провода может привести к уменьшению изолирующих зазоров. Поэтому необходимо применять жесткие диэлектрические держатели, которые позволяют выдержать точную установку высоковольтных выводов.

Таким образом, в данном изобретении использование перечисленных отличительных признаков приводит к повышению стабильности выходных напряжений и надежности работы генератора Аркадьева-Маркса при условии компактного расположения его элементов.

На фиг. 1 и фиг. 2 показаны разрез и фрагмент разреза заявляемого генератора с видом со стороны конденсаторов, где:

1 - секция зарядного трансформатора и системы запуска;

2 - секция каскадного генератора;

3, 4 - смежные фланцы секций;

5 - металлическая пластина;

6 - импульсный зарядный трансформатор;

7 - вывод первичной обмотки трансформатора;

8 - высоковольтный разъем;

9 - высоковольтные выводы от трансформатора и системы запуска;

10 - диэлектрические держатели;

11 - элементы системы запуска разрядника первого каскада;

12 - управляемый разрядник первого каскада;

13 - конденсаторы каскадов генератора;

14 - зарядные катушки индуктивности;

15 - изоляторные опорные стойки;

16 - отверстия в пластине 5;

17 - основание секции трансформатора.

Компактный генератор Аркадьева-Маркса имеет две секции, герметично соединенные друг с другом. В секции 1 расположен импульсный трансформатор 6, обеспечивающий зарядку конденсаторов генератора, и элементы 11 системы запуска разрядника первого каскада. В секции 2 расположены каскады генератора Аркадьева-Маркса, имеющие расположение элементов согласно генератору по прототипу. Все элементы каскадов (разрядники, в т.ч. управляемый разрядник 12 первого каскада, конденсаторы 13, зарядные катушки индуктивности 14) закреплены на металлической пластине 5 при помощи изоляторных стоек 15. В процессе сборки в первую очередь осуществляется монтаж секции 1 при снятом корпусе секции. На основании 17 секции закрепляется импульсный трансформатор 6 и элементы 11 системы запуска. Высоковольтные выводы 9 закрепляются в диэлектрических держателях 10. Затем надевается корпус секции 1, и вывод 7 первичной обмотки трансформатора подпаивается к разъему 8 через открытый фланец 4. После этого на секции 1 устанавливается пластина 5 таким образом, чтобы диэлектрические держатели проходили по центру отверстий 16 в пластине. На пластине закрепляются элементы каскадного генератора, и высоковольтные выводы 9 подпаиваются к зарядной катушке индуктивности 14 и управляющему электроду разрядника 12. Затем на секцию 2 надевается корпус, и фланцы 3, 4 стягиваются болтами, герметично зажимая при этом пластину 5 до смыкания прилегающих поверхностей. Далее в секции 2 устанавливается нагрузка и крышка (на рисунке не показаны). Особенности устройства заявляемого генератора позволяют на любом этапе сборки осуществлять комфортное проведение всех технологических операций (пайка, резьбовое соединение деталей и т.д.) и контроль их качества благодаря открытости конструкции и отсутствию труднодоступных узлов и элементов.

Устройство работает следующим образом. При подаче высоковольтного импульса на разъем 8 происходит зарядка конденсаторов 13 от импульсного трансформатора 6. В момент максимальной зарядки конденсаторов 13 в системе запуска формируется поджигающий импульс, который подается на управляющий электрод разрядника 12, что приводит к его пробою и затем срабатыванию всех остальных разрядников. При этом на нагрузке формируется высоковольтный импульс, амплитуда которого может в n раз превышать амплитуду напряжения, подаваемого на разъем 8, где n - количество каскадов генератора.

С использованием заявляемых признаков был изготовлен и испытан экспериментальный десятикаскадный генератор Аркадьева-Маркса на выходное напряжение 1.1 MB для ускорителя электронов. Заявляемое устройство надежно и без пропусков обеспечивало формирование импульсов напряжения на трубке до 1.1 MB со среднеквадратичным разбросом не более 1%, что в несколько раз меньше, чем в устройстве по прототипу, а многократные сборки и разборки генератора, проводимые при испытаниях с целью изменения его выходных параметров, осуществлялись со значительно меньшими трудозатратами и большей надежностью электрических сильноточных соединений.

Генератор Аркадьева-Маркса относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использован в ускорителях заряженных частиц или других импульсных сильноточных устройствах.

Сущность изобретения заключается в том, что по сравнению с известным генератором Аркадьева-Маркса, содержащим несколько каскадов с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, а также импульсный зарядный трансформатор, все элементы генератора расположены в металлическом герметичном корпусе, новым является то, что разрядник первого каскада выполнен управляемым и снабжен системой запуска, корпус генератора разделен на две секции с фланцами, в одной секции расположен импульсный зарядный трансформатор и система запуска, каскады генератора установлены в другой секции и закреплены на металлической пластине, причем пластина зажата между смежными фланцами секций корпуса до смыкания торцевых прилегающих поверхностей пластины и фланцев и имеет отверстия, в которых с радиальным зазором относительно краев отверстий установлены диэлектрические держатели высоковольтных выводов импульсного трансформатора и системы запуска.

Техническим результатом является повышение качества сборки и надежности работы генератора Аркадьева-Маркса при сохранении масс-габаритных характеристик. Дополнительным техническим результатом является повышение стабильности выходных напряжений. 2 ил.

Генератор Аркадьева-Маркса, содержащий несколько каскадов с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, а также импульсный зарядный трансформатор, все элементы генератора расположены в металлическом герметичном корпусе, отличающийся тем, что разрядник первого каскада выполнен управляемым и снабжен системой запуска, корпус генератора разделен на две секции с фланцами, в одной секции расположен импульсный зарядный трансформатор и система запуска, каскады генератора установлены в другой секции и закреплены на металлической пластине, причем пластина зажата между смежными фланцами секций корпуса до смыкания торцевых прилегающих поверхностей пластины и фланцев и имеет отверстия, в которых с радиальным зазором относительно краев отверстий установлены диэлектрические держатели высоковольтных выводов импульсного трансформатора и системы запуска.