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

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано для формирования симметричного двуполярного импульса-меандра наносекундной длительности с высоким КПД, в частности в качестве внешнего источника для зарядки индукторов без железных линейных индукционных ускорителей до напряжения 10⁵-10⁷ B при длительности импульса-меандра 10^-8-10^-7 c.

Известны генераторы высоковольтных импульсов [1] содержащие однородную формирующую линию с волновым сопротивлением ρ и электрической длиной t_o, концы высоковольтного электрода которой соединены между собой, а резистивная нагрузка R_н подключена к концам заземленного электрода. На одном из концов линии установлен разрядник. Емкость линии заряжается до напряжения U_о от внешнего источника. Напряжение на нагрузке в это время равно нулю. В момент времени t 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, включается разрядник, закорачивающий один из концов линии и одновременно подключающий к другому нагрузку. На согласованной резистивной нагрузке R_н=ρ формируется симметричный двуполярный импульс-меандр. В интервале времени 0-τ_o напряжение на нагрузке равно +0,5U_о, а в интервале времени τ_o-2τ_o -0,5U₀. Запасенная в линии энергия в течение импульса полностью передается в нагрузку. Недостатком такого генератора является относительно невысокая амплитуда напряжения на нагрузке, равная в согласованном режиме работы лишь половине зарядного напряжения.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является генератор высоковольтных импульсов, содержащий коммутируемую и некоммутируемую линии одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и заземленные электрода, причем на входе коммутируемой линии установлен разрядник, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, а с другой стороны нагрузка [2] В описанном генераторе в качестве нагрузки используется однородная передающая линия. Волновые сопротивления коммутируемой, некоммутируемой и короткозамкнутой линий равны соответственно ρ, 2ρ и 6ρ.

Емкость линий заряжается до напряжения U₀ от внешнего источника. В момент времени t 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, включается разрядник, закорачивающий коммутируемую линию и одновременно подключающий короткозамкнутую линию к некоммутируемой линии. В результате по коммутируемой и некоммутируемой линиям в направлении нагрузки будут распространяться волны разрядки -U_о и -(U_о/4), а в короткозамкнутую линию побежит волна зарядки (3/4)U_о. В момент времени t = τ_o, где τ_o электрическая длина коммутируемой линии, на согласованной нагрузке R_н= 3ρ возникает импульс напряжения (3/4)U_о, в коммутируемую и некоммутируемую линии отражаются волны разрядки одинаковой амплитуды, равной -(3/4)U_о. Электромагнитная волна, поступившая первоначально в короткозамкнутую линию, в момент времени t = τ_o после отражения от короткого замыкания меняет свою полярность. В момент времени t = 2τ_o электромагнитные волны приходят к месту соединения коммутируемой, некоммутируемой и короткозамкнутой линий. В результате в коммутируемую линию пойдет волна зарядка, в некоммутируемую линию волна разрядки и в короткозамкнутую линию волна разрядки одинаковой амплитуды, равной (3/4)U_о. Напряжение на нагрузке в момент времени t = 3τ_o изменяется с (3/4)U_о до -(3/4)U_о, спустя еще 2τ_o в момент времени t = 5τ_o становится равным нулю. Таким образом, на согласованной нагрузке описанного генератора формируется симметричный двуполярный импульс-меандр, амплитуда которого равна +(3/4)U_о в интервале времени τ_o-3τ_o и -(3/4)U_о в интервале времени 3τ_o-5τ_o. Энергия, запасенная в генераторе, в течение импульса полностью передается в нагрузку.

Недостатком известного генератора является относительно невысокая амплитуда формируемого на нагрузке симметричного двуполярного импульса-меандра, равная (3/4)U_о.

Целью настоящего изобретения является увеличение амплитуды формируемого на нагрузке симметричного двуполярного импульса-меандра, что при использовании таких генераторов в качестве внешних источников для зарядки индукторов без железных линейных индукционных ускорителей при том же числе индукторов позволит увеличить энергию ускорения, либо при той же энергии ускорения использовать меньшее число индукторов.

Для достижения указанной цели в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем коммутируемую и некоммутируемую линии одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и заземленные электроды, причем на выходе коммутируемой линии включен разрядник, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, а с другой стороны нагрузка, в объеме короткозамкнутой линии размещен дополнительный высоковольтный электрод, который соединен с общим высоковольтным электродом коммутируемой и некоммутируемой линии со стороны разрядника и разделяют короткозамкнутую линию на две последовательно соединенные линии одинаковой электрической длины, равной электрической длине коммутируемой линии, а волновые сопротивления линий определены из соотношений:

где ρ₁ волновое сопротивление коммутируемой линии;
ρ₂ волновое сопротивление некоммутируемой линии;
ρ₃, ρ₄ волновое сопротивление первой, примыкающей в разрядник, и второй линий соответственно, образованных с дополнительным высоковольтным электродом.

Таким образом, введение дополнительного высоковольтного электрода повышает энергозапас генератора, а определенным образом подобранные соотношения волновых сопротивлений линий обеспечивают формирование на нагрузке симметричного двуполярного импульса-меандра и позволяют в течение импульса полностью передать запасенную энергию в нагрузку.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора.

Генератор может быть выполнен в полосковом коаксиальном и радиальном варианте. Рассмотрим в качестве примера конкретного выполнения генератор, выполненный в полосковом варианте. Генератор содержит коммутируемую 1 и некоммутируемую 2 линии одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод 3 и заземленные электроды 4, 5. На входе коммутируемой линии 1 установлен разрядник 6. К заземленным электродам 4, 5 со стороны разрядника 6 подключена короткозамкнутая линия 7 с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии 1, а с другой стороны - нагрузка 8. В объеме короткозамкнутой линии 7 размещен дополнительный высоковольтный электрод 9, который соединен с высоковольтным электродом 3 со стороны разрядника 6 и разделяет короткозамкнутую линию 7 на две последовательно соединенные линии 10, 11 одинаковой электрической длины, равной электрической длине коммутируемой линии 1. Конструктивно высоковольтные электроды 3 и 9 выполняются в виде единого листа из нержавеющей стали прямоугольной формы. Заземленные электроды 4, 5 и короткозамкнутая линия 7 также изготавливаются из листовой нержавеющей стали и образуют корпус генератора. В качестве разрядника 6 могут быть использованы один или несколько, в зависимости от требуемой длительности фронтов формируемого импульса, искровых разрядников тригатронного типа. Для повышения плотности запасаемой энергии и уменьшения размеров устройства внутренний объем генератора целесообразно заполнить жидким диэлектриком (вода, глицерин, трансформаторное или касторовое масло). Геометрическая длина линии генератора определяется требуемой длительностью выходного импульса и типом используемого диэлектрика. Например, для формирования импульса-меандра с полной длительностью 100 нс, длина каждой из линий 1, 2, 10, 11 генератора, использующего в качестве диэлектрика очищенную воду (ε 81), должна быть равна 83 см, а длина всего генератора 166 см. Величина высоковольтных зазоров между электродами каждой из линий 1, 2, 10, 11 зависит от зарядного напряжения генератора, типа диэлектрика и выходного сопротивления генератора. Требуемые соотношения волновых сопротивлений линий 1, 2, 10, 11 обеспечиваются соответствующим выбором высоковольтных зазоров линий. Например, при зарядке генератора с водяной изоляцией до напряжения 500 кВ за время ≲ 1 мкс зазоры линий 1, 2, 10, 11 могут быть выбраны равными соответственно 5, 15, 10 и 30. В качестве нагрузки 8 может быть использована однородная согласованная с выходом генератора передающая линия произвольной длины, подсоединенная на выходе к индуктору без железного линейного индукционного ускорителя, преобразующему симметричный двуполярный импульс-меандр в однополярный одиночный импульс ускоряющего напряжения прямоугольной формы.

Генератор работает следующим образом.

Емкости линий 1, 2, 10, 11 генератора заряжаются до напряжения U_о от внешнего источника (в отличие от прототипа энергия запасается во всем объеме генератора). В момент времени t 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, выключается разрядник 6, и по линиям 1, 10 распространяются волны разрядки -U_о. В момент времени t = τ_o, где τ_o электрическая длина линий генератора, волна разрядки, распространяющаяся по коммутируемой линии 1, достигает выхода генератора. На согласованной резистивной нагрузке 8 R_н= ρ₁+ρ₂=4ρ₁ появляется импульс напряжения U_о, а в коммутируемую 1 и некоммутируемую 2 линии пойдут волны разрядки одинаковой амплитуды (3/4)U_о. В этот же момент времени волна разрядки, распространяющаяся по линии 10, достигает места ее соединения с линией 11. В результате в линию 11 с волновым сопротивлением ρ₄= 6ρ₁ пройдет волна разрядки (3/2)U_о, а в линию 10 с волновым сопротивлением ρ₃=2ρ₁ отразится волна разрядки -(1/2)U_о. К выходу генератора по некоммутируемой линии 2 в момент времени t = 3τ_o приходит волна разрядки (5/4)U_о, а по коммутируемой линии 1 волна зарядки (3/4)U_о. Напряжение на нагрузке 8 изменяется с U_о до -U_о, а спустя еще 2τ_o становится равным нулю. Волновые сопротивления генератора подобраны таким образом, что на согласованной нагрузке 8 формируется симметричный двуполярный импульс-меандр, амплитуда которого равна U_о в интервале времени τ_o÷ 3τ_o и -U_о в интервале времени 3τ_o-5τ_o. Энергия, запасенная в генераторе, в течение импульса полностью передается в нагрузку 8.

Технико-экономический эффект предложенного генератора заключается в увеличении в 4/3 раза амплитуды формируемого на нагрузке симметричного двуполярного импульса-меандра по сравнению с генератором-прототипом при одном и том же зарядном напряжении. Кроме того, при одинаковом зарядном напряжении в предложенном генераторе запасаемая и передаваемая в согласованную нагрузку энергия выше в 4/3 раза. Для многоэлементных модульных систем, какими являются безжелезные линейные индукционные ускорители, выполнение внешних импульсных источников питания по предложенной схеме позволит сократить их число в 4/3 раза.

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий коммутируемую и некоммутируемую линию одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и заземленные электроды, причем на входе коммутируемой линии включен разрядник, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, а с другой стороны - нагрузка, отличающийся тем, что, с целью увеличения амплитуды формируемого на нагрузке симметричного двуполярного импульса-меандра, в объеме короткозамкнутой линии размещен дополнительный высоковольтный электрод, который соединен с общим высоковольтным электродом коммутируемой и некоммутируемой линий со стороны разрядника и разделяет короткозамкнутую линию на две последовательно соединенные линии одинаковой электрической длины, равной электрической длине коммутируемой линии, а волновые сопротивления линий определены из соотношений:


где ρ₁ - волновое сопротивление коммутируемой линии,
ρ₂ - волновое сопротивление некоммутируемой линии,
ρ₃, ρ₄ - волновые сопротивления первой, примыкающей к разряднику, и второй линии соответственно, образованных с дополнительным высоковольтным электродом.

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий коммутируемую и некоммутируемую линии одинаковой электрической длины, имеющие общий высоковольтный электрод и заземленные электроды, причем на входе коммутируемой линии включен разрядник, к заземленным электродам со стороны разрядника подключена короткозамкнутая линия с электрической длиной, равной электрической длине коммутируемой линии, а с другой стороны нагрузка, отличающийся тем, что, с целью увеличения амплитуды формируемого на нагрузке симметричного двуполярного импульса-меандра, в объеме короткозамкнутой линии размещен дополнительный высоковольтный электрод, который соединен с общим высоковольтным электродом коммутируемой и некоммутируемой линий со стороны разрядника и разделяет короткозамкнутую линию на две последовательно соединенные линии одинаковой электрической длины, равной электрической длине коммутируемой линии, а волновые сопротивления линий определены из соотношений:


где ρ₁ волновое сопротивление коммутируемой линии,
ρ₂ волновое сопротивление некоммутируемой линии,
ρ₃, ρ₄ волновые сопротивления первой, примыкающей к разряднику, и второй линии соответственно, образованных с дополнительным высоковольтным электродом.