ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА (ЕГО ВАРИАНТЫ) Советский патент 1996 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники.

Известны генераторы импульсов тока с индуктивным накоплением энергии. Простейший генератор состоит из последовательно соединенных через прерыватель тока источника питания и сосредоточенной индуктивности, параллельно к которой через разрядник подключена резистивная нагрузка [1]
Недостатком такого генератора является то, что ток нагрузки уменьшается во времени, а его максимальное значение не превышает ток источника питания I_о.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является генератор импульсов тока, состоящий из последовательно соединенных через прерыватель тока источника питания и индуктивного накопителя, выполненного в виде короткозамкнутой однородной формирующей линии с распределенными параметрами с волновым сопротивлением ρ и электрической длиной t_o, параллельно которой через разрядник подключена резистивная нагрузка. На нагрузке формируется импульс тока с длительностью ступеней 2τ_o [2]
Недостатком такого генератора является сравнительно небольшая амплитуда тока нагрузки, не превышающая I_о, а в согласованном режиме, когда на нагрузке формируется одиночный прямоугольный токовый импульс, ток достигает лишь величины I_о/2.

Целью настоящего изобретения является повышение амплитуды импульса тока нагрузки.

Для достижения указанной цели в генераторе по первому варианту, содержащем источник питания, прерыватель тока и индуктивный накопитель, включенные последовательно, подключенную к выходу индуктивного накопителя непосредственно или через разрядник нагрузку, дополнительно введен второй прерыватель, индуктивный накопитель выполнен в виде ступенчатой формирующей линии, с распределенными параметрами, образованной n последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го отрезка к волновому сопротивлению равным
ρ_i/ρ₁= 2/[i(i+1)],
где i 1, 2, 3, n порядковый номер отрезка, а второй прерыватель включен параллельно выходу индуктивного накопителя.

Амплитуда токового импульса, формируемого на нагрузке, в генераторе по первому варианту определяется выражением

В режиме короткого замыкания и в согласованном режиме она равна соответственно n•I_о и n•I_о/2.

Для достижения указанной цели в генераторе по второму варианту, содержащем источник питания, прерыватель тока и индуктивный накопитель, включенные последовательно, подключенную к выходу индуктивного накопителя непосредственно или через разрядник нагрузку, индуктивный накопитель выполнен в виде ступенчатой формирующей линии, с распределенными параметрами, образованной последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го отрезка ρ_i к волновому сопротивлению первого отрезка ρ равным

где i 1, 2, 3, n порядковый номер отрезка, а к выходу индуктивного накопителя подключена одиночная короткозамкнутая однородная линия с электрической длиной, равной электрической длине отрезка ступенчатой линии, и волновым сопротивлением, равным 2ρ_i(n+1).

Амплитуда токового импульса, формируемого на нагрузке в генераторе по второму варианту определяется выражением

В режиме короткого замыкания и в согласованном режиме она равна соответственно (n + 1)I_о и (n + 1)I_о/2.

Генераторы по первому и второму вариантам с равным полным числом отрезков однородных линий (с учетом короткозамкнутого отрезка во втором варианте) обеспечивают одинаковое повышение тока нагрузки по сравнению с током источника питания. При выполнении индуктивного накопителя из отрезков однородных коаксиальных линий генератор по второму варианту наиболее эффективен при работе на трубчатую нагрузку, в то время как генератор по первому варианту одинаково эффективен как при работе на трубчатую нагрузку, так и на нагрузку линейным током, протекающим по оси индуктивного накопителя. Преимуществом генератора по второму варианту является отсутствие второго прерывателя тока.

На фиг. 1 изображена схема генератора по первому варианту.

На фиг. 2 изображена схема генератора по второму варианту.

Генератор по первому варианту содержит источник питания 1, прерыватель тока 2 и индуктивный накопитель 3, включенные последовательно. Параллельно выходу индуктивного накопителя 3 включены второй прерыватель тока 4 и нагрузка 5, подсоединенная непосредственно или через разрядник 6.

Генератор по первому варианту работает следующим образом.

В первоначально замкнутом контуре, образованном накопителем 3, прерывателями 2, 4 и источником питания 1, под действием источника 1 устанавливается ток I_о, и энергия в линии запасается в магнитном поле. В момент времени t 0 срабатывает прерыватель 2, и ток на входном зазоре ступенчатой линии накопителя 3 становится равным нулю. В результате по первому отрезку ступенчатой линии в направлении нагрузки 5 распространяется токовая волна I_о, которая при прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков с разными волновыми сопротивлениями изменяет свою амплитуду. В момент времени t = nτ_o к нагрузке 5 приходит токовая волна I_о (n + 1)/2. В этот же момент времени срабатывает прерыватель 4. Из-за разрыва цепи в выходном зазоре возникает напряжение, под действием которого пробивается разрядник 6, нагрузка 5 подключена к выходу индуктивного накопителя 3. В результате на нагрузке 5 формируется импульс тока ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2τ_o. Начальная амплитуда импульса тока максимальна в режиме короткого замыкания и равна n•I_о, что при n > 1 существенно превышает I_о. В согласованном режиме, когда R_н=ρ_n= 2ρ₁/[I_n(n+1)], на нагрузке 5 формируется одиночный прямоугольный импульс тока амплитудой n•I_о/2 и длительностью 2τ_o, в течение которого запасенная в индуктивном накопителе 3 энергия полностью передается в согласованную нагрузку 5. При одном и том же токе источника питания генератор по первому варианту на основе ступенчатой линии из n отрезков позволяет как в режиме короткого замыкания, так и в режиме максимального КПД в n раз повысить ток нагрузки по сравнению с генератором-прототипом.

Генератор по второму варианту содержит источник питания 7, прерыватель тока 8 и индуктивный накопитель 9, включенные последовательно. Параллельно выходу индуктивного накопителя 9 включены отрезок короткозамкнутой линии 10 и нагрузка 11, подсоединенная непосредственно или через разрядник 12.

Генератор по второму варианту работает следующим образом.

В первоначально замкнутом контуре, образованном источником питания 7, прерывателем тока 8, накопителем 9 и короткозамкнутым отрезком 10, под действием источника 7 устанавливается ток I_о, и энергия запасается в магнитном поле. В момент времени t 0 срабатывает прерыватель 8, и ток на входном зазоре ступенчатой линии накопителя 9 становится равным нулю. В результате по первому отрезку ступенчатой линии в направлении нагрузки 11 распространяется токовая волна I_о, которая при прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков с разными волновыми сопротивлениями изменяет свою амплитуду. В момент времени t = nτ_o к нагрузке 11 приходит токовая волна I_о(n + 1)/2. Включается разрядник 12 и на нагрузке 11 формируется импульс тока ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2τ_o. Начальная амплитуда токового импульса максимальна в режиме короткого замыкания и равна (n + 1)I_о, что при любом n > 0 существенно превышает I_о. В согласованном режиме, когда R_н=2ρ₁/(n+1)², на нагрузке 11 формируется одиночный прямоугольный импульс тока амплитудой (n + 1)I_о/2 и длительностью 2τ_o, в течение которого энергия, запасенная в индуктивном накопителе 9 и короткозамкнутом отрезке 10, полностью передается в согласованную нагрузку 11. При этом и том же токе источника питания генератор по второму варианту с индуктивном накопителем 9 на основе ступенчатой линии из n отрезков позволяет как в режиме короткого замыкания, так и в режиме максимального КПД в (n + 1) раз повысить ток нагрузки по сравнению с генератором-прототипом.

Описанный генератор импульсов тока (варианты) целесообразно применять в тех же областях высоковольтной импульсной техники, где требуется формирование прямоугольных наносекундных импульсов тока повышенной амплитуды с высоким КПД. В частности такой генератор целесообразно использовать в качестве импульсного источника питания для ускоряющих устройств с напряжением 10⁵ + 10⁶ B, током пучка 10⁶ + 10⁷ A и длительностью импульса 10^-8 + 10^-7 C. Генератор может быть выполнен на линиях плоской, цилиндрической, радиальной и тороидальной геометрии.

1. Генератор импульсов тока, содержащий источник питания, прерыватель тока и индуктивный накопитель, включенные последовательно, подключенную к выходу индуктивного накопиителя непосредственно или через разрядник нагрузку, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды импульса тока нагрузки, дополнительно введен второй прерыватель, индуктивный накопитель выполнен в виде ступенчатой формирующей линии с распределенными параметрами, образованной n последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го отрезка к волновому сопротивлению первого отрезка равным
ρ_i/ρ₁=2/[i(i+1)],
i = 1,2,3..., n - порядковый номер отрезка, а второй прерыватель включен параллельно выходу индуктивного накопителя.

2. Генератор импульсов тока, содержащий источник питания, прерыватель тока и индуктивный накопитель, включенные последовательно к выходу индуктивного накопителя непосредственно или через разрядник нагрузку, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды импульса тока нагрузки, индуктивный накопитель выполнен в виде ступенчатой формирующей линии с распределением параметрами, образованной последовательно соединенными отрезками однородный линий одинаковой электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го отрезка ρ_i к волновому сопротивлению первого отрезка ρ₁ равным
ρ_i/ρ₁=2/[i(i+1)],
где i = 1,2 ... n - порядковый номер отрезка, а к выходу индуктивного накопителя подключена одиночная короткозамкнутая однородная линия с электрической длиной, равной электрической длине отрезка ступенчатой линии, и волновым сопротивлением, равным 2ρ_i/(n+1).

1. Генератор импульсов тока, содержащий источник питания, прерыватель тока и индуктивный накопитель, включенные последовательно, подключенную к выходу индуктивного накопителя непосредственно или через разрядник нагрузку, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды импульса тока нагрузки, дополнительно введен второй прерыватель, индуктивный накопитель выполнен в виде ступенчатой формирующей линии с распределенными параметрами, образованной n последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го отрезка к волновому сопротивлению первого отрезка равным
ρ_i/ρ₁=2/[i(i+1)],
где i 1,2,3 n порядковый номер отрезка,
а второй прерыватель включен параллельно выходу индуктивного накопителя. 2. Генератор импульсов тока, содержащий источник питания, прерыватель тока и индуктивный накопитель, включенные последовательно к выходу индуктивного накопителя непосредственно или через разрядник нагрузку, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды импульса тока нагрузки, индуктивный накопитель выполнен в виде ступенчатой формирующей линии с распределением параметрами, образованной последовательно соединенными отрезками однородных линий одинаковой электрической длины с отношением волнового сопротивления i-го отрезка ρ_i к волновому сопротивлению первого отрезка ρ₁ равным
ρ_i/ρ₁=2/[i(i+1)],
где i 1,2 n порядковый номер отрезка,
а к выходу индуктивного накопителя подключена одиночная короткозамкнутая однородная линия с электрической длиной, равной электрической длине отрезка ступенчатой линии, и волновым сопротивлением, равным 2ρ_i/(n+1).