ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Советский патент 1996 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники.

Известен генератор высоковольтных импульсов на основе двойной формирующей линии (ДФЛ), содержащий коммутируемую и некоммутируемую линию, каждая из которых представляет собой отрезок однородной линии с волновым сопротивлением ρ и электрической длиной t_o. В входном высоковольтном зазоре коммутируемой линии установлен разрядник, а резистивная нагрузка включена последовательно коммутирующей и некоммутируемой линиям [1]
Недостатком такого генератора является невысокая амплитуда напряжения на нагрузке, которая не превышает удвоенной величины напряжения заряда линии, а в режиме максимального КПД достигается лишь величины зарядного напряжения U_о.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является генератор высоковольтных импульсов, представляющий собой двойную формирующую линию с распределенными параметрами, состоящую из коммутируемой и некоммутируемой линии одинаковой электрической длины τ_o. Во входном высоковольтном зазоре коммутируемой линии установлен разрядник, а резистивная нагрузка включена последовательно коммутируемой и некоммутируемой линиям. Коммутируемая линия, с целью уменьшения длительности переднего фронта импульса напряжения на нагрузке, выполнена в виде ступенчатой формирующей линии (СФЛ), образованной двумя последовательно соединенными отрезками однородных линий, с разными волновыми сопротивлениями. Разрядник подключен к отрезку линии с меньшим волновым сопротивлением, а отрезок с большим волновым сопротивлением подключен к нагрузке. Включение в коммутируемой линии со стороны разрядника отрезка с меньшим волновым сопротивлением позволяет провести коррекцию переднего фронта импульса, но практически не влияет на среднюю амплитуду импульса [2]
Недостатком такого генератора является невысокая амплитуда напряжения на нагрузке, которая не превышает 2U_о, а в режиме максимального КПД достигает лишь величины зарядного напряжения.

Целью настоящего изобретения является повышение амплитуды прямоугольного импульса напряжения, формируемого на нагрузке.

Для достижения указанной цели в генераторе, содержащем двойную формирующую линию с распределенными параметрами, состоящую из коммутируемой ступенчатой формирующей линии с разрядником во входном высоковольтном зазоре, некоммутируемой линии и нагрузки, включенных последовательно, ступенчатая линия образована n последовательно соединенными отрезками однородных линий с одинаковой электрической длиной, равной электрической длине некоммутируемой линии, причем отношение волнового сопротивления i-го отрезка ρ_i к волновому сопротивлению первого отрезка ρ₁ равно
ρ_i/ρ₁=i(i+1)/2, (1)
где i 1, 2, n порядковый номер отрезка, а волновое сопротивление некоммутируемой линии выбрано равным
ρ_o=ρ₁(n+1)/2. (2)
С целью уменьшения амплитуды предимпульсного напряжения нагрузка может быть подключена к некоммутируемой линии через разрядник.

На чертеже изображена схема генератора.

Генератор содержит двойную формирующую линию, состоящую из коммутируемой 1 и некоммутируемой 2 линии, разрядник 3, источник 4 напряжения заряда и нагрузку 5.

Генератор работает следующим образом.

Емкость ДФЛ заряжается до напряжения U_о от источника напряжения заряда 4. В момент времени t 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, включается разрядник 3 и от него по первому отрезку коммутируемой линии 1 в направлении нагрузки 5 распространяется волна разрядки U₁ U_о. При прохождении ступенчатых неоднородностей СФЛ она изменяет свою амплитуду. В момент времени t = nτ_o к нагрузке 5 приходит волна разрядки

С учетом соотношения (1) выражение для U₂ принимает вид

Амплитуда импульса напряжения, формируемого на нагрузке 5 в момент времени t ≥ nτ_o равна
(3)
и остается постоянной до прихода к нагрузке 5 отраженных электромагнитных волн, т.е. в интервале времени n•τ_o≅t≅(n+2)τ_o. В дальнейшем на нагрузке 5 возникает серии импульсов. Каждый следующий импульс появляется через интервал времени 2•τ_o после начала предыдущего. В результате на нагрузке 5 формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2τ_o.

Амплитуда импульса напряжения на нагрузке 5 максимальна в режиме холостого хода и равна (n + 1)U_о, что при n > 1 существенно превышает величину 2U_о. Генератор имеет наибольший КПД в согласованном режиме, когда R_н= ρ_o+ρ_n= ρ₁(n+1)²/2. В этом случае, согласно соотношению (3), амплитуда напряжения на нагрузке 5 в интервале времени n•τ_o≅t≅(n+2)τ_o равна U_н -(n + 1)U₂/2.

Энергия, переданная за это время в согласованную нагрузку,

равна по величине энергии, запасаемой в генераторе

где C_i полная электрическая емкость i-го отрезка ступенчатой коммутируемой линии 1, а С_о полная электрическая емкость некоммутируемой линии 2.

Следовательно, к моменту времени t(n + 2) энергия, запасенная в генераторе, полностью передается в согласованную нагрузку 5, и напряжение в любом сечении генератора становится равным нулю. На согласованной нагрузке 5 генератора формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения длительностью t_n= 2τ_o с амплитудой U_н (n + 1) U_о/2, что при n > 1 существенно превышает величину зарядного напряжения U_о. Напряжение на нагрузке 5 генератора возрастает линейно с увеличением числа отрезков 1 коммутируемой линии. Присоединение каждого дополнительного отрезка при выполнении условий (1), (2) позволяет повысить амплитуду напряжения на нагрузке 5 на U_о/2 в режиме максимального КПД.

При зарядке генератора на основе ДФЛ на нагрузке возникает напряжение, называемое предымпульсным, т.к. оно предшествует по времени основному рабочему импульсу. При нагрузке генератора на электронный пучок наличие предымпульсного напряжения может привести к заметному ухудшению параметров электронного потока. В этом случае уменьшение амплитуды предымпульсного напряжения достигается подключением нагрузки 5 и не коммутируемой линии 2 через разрядник.

Описанный генератор целесообразно применять в тех областях высоковольтной импульсной техники, где требуется формирование высоковольтных прямоугольных импульсов напряжения наносекундной длительности с высоким КПД. В частности, такой генератор целесообразно использовать в качестве импульсного источника питания для ускоряющих устройств с напряжением 10⁵-10⁷ В, током пучка 10³-10⁶ А и длительностью импульса 10^-8-10^-7 С. Генератор может быть выполнен на линиях плоскостей цилиндрической, радиальной и тороидальной геометрии.

1. Генератор высоковольтных импульсов, содержащий двойную формирующую линию с распределенными параметрами, состоящую из коммутируемой ступенчатой формирующей линии с разрядником во входном высоковольтном зазоре, некоммутируемой линии и нагрузки, включенных последовательно, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения, ступенчатая линия образована n последовательно соединенными отрезками однородных линий с одинаковой электрической длиной, равной электрической длине некоммутируемой линии, причем отношение волнового сопротивления i-го отрезка ρ_i к волновому сопротивлению первого отрезка ρ₁ равно
ρ_i/ρ₁=i(i+1)/2,
где i = 1,2...n - порядковый номер отрезка,
а волновое сопротивление некоммутируемой линии выбрано равным
ρ_o=ρ₁(n+1)/2.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что нагрузка подключена к некоммутируемой линии через разрядник.

1. Генератор высоковольтных импульсов, содержащий двойную формирующую линию с распределенными параметрами, состоящую из коммутируемой ступенчатой формирующей линии с разрядником во входном высоковольтном зазоре, некоммутируемой линии и нагрузки, включенных последовательно, отличающийся тем, что, с целью повышения амплитуды формируемого на нагрузке прямоугольного импульса напряжения, ступенчатая линия образована n последовательно соединенными отрезками однородных линий с одинаковой электрической длиной, равной электрической длине некоммутируемой линии, причем отношение волнового сопротивления i-го отрезка ρ_i к волновому сопротивлению первого отрезка ρ₁ равно
ρ_i/ρ₁=i(i+1)/2,
где i 1,2.n порядковый номер отрезка,
а волновое сопротивление некоммутируемой линии выбрано равным
ρ_o=ρ₁(n+1)/2.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что нагрузка подключена к некоммутируемой линии через разрядник.