УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2018 года по МПК H03K3/02 

Изобретение относится к системам питания ускорителей заряженных частиц прямого действия, а точнее к устройствам импульсного питания с индуктивными накопителями энергии, предназначенными, например, для генерации импульсных сильноточных (несколько десятков кА) электронных пучков большой энергии (единицы МэВ) и длительности (десятки нс).

Для импульсного питания таких ускорителей наряду с устройствами формирования мощных импульсов, выполненных на емкостных накопителях энергии, используются импульсные устройства с индуктивными накопителями энергии, которые имеют ряд преимуществ перед первыми. К достоинствам устройств импульсного питания с индуктивными накопителями можно отнести способность индуктивного накопителя трансформировать напряжение источника (в 3÷5 раз), что позволяет обходиться сравнительно низковольтным источником. Кроме того они имеют лучшие весовые и габаритные характеристики по сравнению с емкостными накопителями, так как удельная плотность запасаемой энергии в реально-достижимых магнитных полях примерно на три порядка превышает удельную плотность энергии в электрических полях, технически реализуемых при сегодняшнем уровне развития науки.

Известно устройство импульсного питания [1], содержащий источник питания, коммутатор и двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых искусственных линий с распределенными параметрами, между которыми параллельно им включена нагрузка.

Недостатком такого устройства являются большие вес и габариты. Это вызвано тем, что конденсаторы, в которых накапливается энергия, находятся длительное время под высоким напряжением источника питания, и для обеспечения их высокой электрической прочности они выполнены с большими линейными размерами их изоляционных промежутков, что и ведет к увеличению габаритов устройства.

Прототипом изобретения является устройство импульсного питания [2], электрическая схема которого изображена на рис. 1(а). Оно содержит источник питания (U₀, R_u<<ρ), коммутатор (К) и двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий (z₁=z₂=ρ, с электрической длиной l=τ₀), между которыми параллельно им включена согласованная нагрузка (R_н=ρ/2), при этом вторая линия (z₂=ρ) на выходе закорочена проводником (R_пр≈0).

Работа данного устройства происходит следующим образом. После замыкания коммутатора К начинается зарядка током от источника питания (U₀, R_u<<ρ) индуктивностей формирующих линий до значения I₀. Поскольку сопротивление R_пр≈0, установленного на конце второй линии z₂=ρ, много меньше сопротивления нагрузки R_н=ρ/2 (R_пр шунтирует нагрузку), то протекающим током в этот момент по нагрузке можно смело пренебречь. Затем коммутатор К размыкается. Возникают волновые процессы, характер которых в период времени τ₀<t<3τ₀ изображен на диаграммах рис. 2. При этом на нагрузке формируется импульс со следующими параметрами: U_н=-I₀⋅ρ/2, I_н=I₀ и t_u=2τ₀.

Недостатком такого устройства является то, что напряжение сформированного импульса U_н=-I₀⋅ρ/2 имеет противоположную полярность напряжению источника U₀. В реальных конструкторских решениях, где в качестве электрической изоляции часто используются полярные диэлектрические среды (например, деионизованная вода, глицерин, трансформаторное масло) и коэффициент трансформации сравнительно невысок (к ~ U_н/U₀<3), важным является обеспечение одинаковой полярности напряжения формируемого импульса U_н и напряжения источника U₀. Это позволяет уменьшить габариты и выполнить более рационально внутреннюю компоновку элементов устройства. Так, например, для ускорителей электронов, где на нагрузке - вакуумном диоде формируется импульс напряжения отрицательной полярности, для достижения сформулированных выше целей желательно и на источнике иметь ту же отрицательную полярность напряжения, так как в этом случае предельно-допустимая величина пробивной напряженности электрического поля примерно в 1,5 раза выше, чем при положительной полярности. Это сегодня успешно реализуется в большинстве существующих конструкциях ускорителей электронов на емкостных формирующих линиях.

Целью данного изобретения является устройство формирования импульсов, позволяющее посредством двойной индуктивной формирующей линии формировать на согласованной нагрузке импульс с напряжением той же полярности, что и полярность напряжения источника.

Указанная цель достигается тем, что вместо R_пр≈0 на конце второй линии z₂=ρ устанавливается дополнительный замкнутый коммутатор К₁. Электрическая схема предлагаемой системы формирования импульсов изображена на рис. 1(б). Источник питания (U₀, R_u<<ρ) подключен к входу первой формирующей линии z₁=ρ, к выходу которой подключены параллельно согласованная нагрузка R_н=ρ/2 и вход второй формирующей линии z₂=ρ, выход которой, в свою очередь, закорочен дополнительным замкнутым коммутатором К₁.

Работа устройства формирования импульсов происходит следующим образом. После замыкания коммутатора К начинается зарядка током от источника питания (U₀, R_u<<ρ) индуктивностей формирующих линий (z₁=z₂=ρ, с электрической длиной l=τ₀) до значения тока I₀. Затем дополнительный коммутатор К₁ размыкается. Возникают волновые процессы, характер которых в период времени τ₀<t<3τ₀ изображен на диаграммах рис. 3. При этом на нагрузке формируется импульс со следующими параметрами: U_н=I₀⋅ρ/2, I_н=I₀ и t_u=2τ₀. Полярность напряжения сформированного на нагрузке импульса (U_н=I₀⋅ρ/2) совпадает с полярностью напряжения источника питания (U₀).

Источники информации

1. Патент США №4.024.430, кл. H03K 5/08, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР №759042, кл. H05H 5/02, 1981.

Изобретение относится к системам питания ускорителей заряженных частиц прямого действия, в частности к устройствам импульсного питания с индуктивными накопителями энергии. Технический результат заключается в формировании импульсов посредством двойной индуктивной формирующей линии, на согласованной нагрузке импульс с напряжением той же полярности, что и полярность напряжения источника, что является расширением арсенала средств того же назначения. Устройство формирования импульсов выполнено на основе двойной индуктивной формирующей линии, состоящей из двух одинаковых линий, к началу одной из которых подключен источник питания, на конце другой установлен дополнительный коммутатор. При его размыкании на согласованной нагрузке, включенной между линиями, формируется импульс, полярность напряжения которого совпадает с полярностью напряжения источника питания. 3 ил.

Устройство формирования импульсов, содержащее источник питания, коммутатор, первую и вторую индуктивные формирующие линии, параллельно которым включена согласованная нагрузка, отличающееся тем, что источник питания подключен ко входу первой индуктивной формирующей линии, к выходу которой подключены параллельно согласованная нагрузка и вход второй индуктивной формирующей линии, на выходе которой включен дополнительный коммутатор таким образом, что при замыкании коммутатора на источник питания при замкнутом состоянии дополнительного коммутатора осуществляется зарядка током от источника питания индуктивностей формирующих линий, а при размыкании дополнительного коммутатора с возникновением волновых процессов на согласованной нагрузке формируется импульс с заданными параметрами и с полярностью, совпадающей с полярностью источника питания.