СИЛЬНОТОЧНЫЙ НАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Советский патент 1994 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для формирования высоковольтных импульсов в наносекундной области.

В технике широко применяются генераторы импульсов, в качестве накопителей энергии в них используются формирующие линии, заряжаемые до напряжения в несколько мегавольт. Наиболее подробно они рассмотрены в работе. Однако, такие генераторы требуют высоковольтных источников питания и время действия высокого напряжения на изоляцию достаточно большое, что снижает надежность устройства.

В сильноточной электронике известны методы умножения и трансформации напряжений. В работе рассмотрены варианты схем с полосковыми линиями, позволяющие многократно умножать напряжение первичного источника питания.

Наиболее эффективным устройством, повышающим напряжение на нагрузке, является так называемый генератор Фитча, взятый за прототип. В таком генераторе одинарная полосковая формирующая линия свернута в спираль и образует двойную полосковую линию. Разрядник включен на середине длины и коммутирует одно плечо линии. В обоих направлениях от разрядника распространяются волны снятия напряжения и между внутренним и внешним выводом одной обкладки появляется напряжение, которое на холостом ходу может достичь значения 2 nU_o, а в согласованном режиме напряжение будет nU_o, где n - число оборотов спирали, U_o - напряжение между обкладками. При замыкании разрядника напряжение на концах линии с каждым пробегом волны по длине линии увеличивается, и нарастание фронта идет ступенчато в течение времени пробега волны вдоль линии и обратно. Для получения крутого фронта необходимо применение обостряющих цепей, например подключение нагрузки через обостряющий разрядник. При этом длительность выходного импульса будет определяться уже шириной обкладок и может составить единицы наносекунд.

Основным недостатком такого генератора является то, что для увеличения выходного напряжения требуется много оборотов спирали, а это приводит к увеличению длительности фронта импульса, кроме этого из-за подключения нагрузки только в двух точках трудно обеспечить симметричное, коаксиальное исполнение нагрузки (например, вакуумного диода). Эти два фактора приводят к тому, что при получении высоковольтных импульсов из-за большой длительности фронта импульса не удается в полной мере использовать эффект упрочнения изоляционных промежутков при воздействии коротких импульсов, затрудняет согласование спирального генератора с нагрузкой, что в конечном счете ограничивает импульсную мощность устройства.

Цель изобретения - повышение импульсной мощности генератора импульсов за счет сокращения фронта импульса формируемого напряжения и обеспечения симметричного подключения нагрузки к генератору импульсов.

Поставленная цель достигается тем, что генератор импульсов содержит одинарную полосковую линию, свернутую в спираль, коммутатор, включенный между электродами на середине ее длины, и обостряющий разрядник для подключения линии к нагрузке, формирующая линия выполнена в виде многозаходной спирали из m одинарных полосковых линий (m = 2,3...), обостряющий разрядник и нагрузка подсоединены к обкладкам полосковых линий, образующих формирующую линию, через токопроводы, образующие согласующую линию, разрядник, осуществляющий коммутацию обкладок полосковых линий, выполнен многоканальным, с общим катодом и числом каналов равным числу заходов спирали, причем выводы обкладок, подключенных к анодам разрядников, соединены через индуктивности, каждая пара выводов обкладок полосковых линий, подключенных к промежуткам многоканального разрядника, а также цепи питания и управления многоканального разрядника охвачены ферромагнитным сердечником.

На фиг.1 показана функциональная схема генератора для питания ускоряющего промежутка ускорителя, где: 1, 2 - обкладки первой полосковой линии; 3, 4 - обкладки второй полосковой линии; 6, 5 - токопроводы; 7 - анодный фланец; 8 - катодный фланец; 9 - обостряющий разрядник; 10 - катод; 11 - анод; 12 - соленоид; 13 - многоканальный разрядник; 14 - аноды многоканального разрядника; 15 - катоды многоканального разрядника; 16 - пусковой электрод; 17 - резистор; 18 - пусковой электрод; 19 - пусковой разрядник; 20 - индуктивности; 21 - ферромагнитные сердечники; 22 - изолятор; 23 - ферромагнитный сердечник; 24 - импульсный трансформатор; 25 - дроссель насыщения; 26 - диод; 27 - накопительный конденсатор; 28 - тиристор.

На фиг. 2, 3 показана схема укладки обкладок полосковых линий и основные элементы, необходимые для объяснения принципа работы (для простоты число линий m принято равным 2). На фиг.4, 5 приведены эпюры действующих в схеме напряжений и токов: 29 - эпюра зарядного напряжения полосковых линий. 30 - ток их заряда; 31 - напряжение конденсаторов 18; 32 - напряжение на резисторах 17; 33 - иммпульс с дросселя насыщения 25; 34 - импульс напряжения между тоководами 5, 6; 35 - импульс напряжения катод-анодного промежутка ускорителя (10, 11).

Конструктивно генератор содержит две полосковые линии 1, 2 и 3, 4, уложенные по двухзаходной спирали Архимеда; концы обкладок 2 и 4 с помощью тоководов 5, 6 соединены с анодным фланцем 7 и катодным фланцем 8, последний через обостряющий разрядник 9 подключен к катоду 10. На анодном фланце 7 напротив катода 10 расположен анод пушки 11 с трубой дрейфа, охваченной соленоидом 12. На другом конце пакета формирующих линий расположен многоканальный разрядник 13 в диэлектрическом корпусе. К анодам 14 многоканального разрядника подключены обкладки 1, 3 полосковых линий. К общему катоду многоканального разрядника 15 подключены обкладки 2, 4, полосковых линий. Причем выводы расположены на середине длины обкладок. Напротив каждого анода 14 расположены пусковые электроды 16, которые через резистор 17 соединены с общим катодом 15, а через пусковые конденсаторы 18 - с пусковым разрядником 19. Отдельные аноды многоканального разрядника соединены между собой через индуктивности 20. Выводы подключения каждой полосковой линии к многоканальному разряднику охвачены ферромагнитными сердечниками 21. Изолятор 22 совместно с анодным фланцем 7 образуют вакуумную камеру. Заземленной точкой ускорителя может быть анодный фланец. Цепи управления пусковым разрядником 19 и цепь заряда полосковых формирующих линий охвачены ферромагнитным сердечником 23 и подключены к высоковольтному импульсному трансформатору 24, дросселю насыщения 25, одна из обмоток которого закорочена диодом 26. К первичной обмотке импульсного трансформатора подключен накопительный конденсатор 27 и тиристор 28.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 27 заряжен, по соленоиду 12 протекает ток, создающий продольное фокусирующее магнитное поле. Энергия в остальных элементах схемы отсутствует. При включении тиристора 28 накопительный конденсатор 27 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора 24. Со вторичной обмотки по цепи дросселя насыщения 25, который в интервале времени t₁ - t₂ (фиг.4) закорочен диодом 26 и не влияет на процесс в схеме, полосковые формирующие линии заряжаются через индуктивности 20. В это же время через резисторы 17 заряжаются пусковые конденсаторы 18. Ток заряда пусковых конденсаторов вызывает падение напряжения на резисторах 17 с указанной на фиг.1 полярностью. В момент времени t₂, когда ток заряда полосковых линий 30 переходит нулевое значение и энергия накопителя 27 переходит в полосковые линии, диод 26 закрывается и дроссель насыщения начинает перемагничиваться. Импульсом 33 с дросселя насыщения запускается пусковой разрядник 19 и плюсовые обкладки пусковых конденсаторов 18 замыкаются на катод 15 многоканального разрядника. Это приводит к инвертированию напряжения на резисторах 17 до напряжения пусковых конденсаторов 18 и вызывает пробой катод-анодных промежутков многоканального разрядника 13.

При этом от места коммутации (середина каждой полосковой линии 1,2, 3, 4) распространяется волна снятия напряжения (фиг.2, 3). Если в начальный момент времени t = 0, суммарное напряжение между концами обкладок было равно U = 0, то через интервал времени τ, равный пробегу волны от места коммутации до конца линии, напряжение будет U = mnU_o, где n - число оборотов каждой линии, m - число коммутируемых линий. В нашем случае n = 3, m = 2; через время пробега τ между тоководами 5, 6 будет действовать напряжение 6U_о. Достигая концов линии, волна снятия напряжения при времени t>τ инвертируется, и через время 2τ напряжение между тоководами будет U = 2nmU_o, т. е. 12 U_o. При отсутствии тока в катод-анодном промежутке 10, 11 в идеальном случае формируется импульс ступенчатой формы, в реальных случаях треугольной (фиг.5) с временем нарастания равным 2τ, т.е. равный пробегу волны вдоль всей линии. Если обостряющий разрядник сработает на максимуме напряжения, то в нагрузке будет сформирован импульс с амплитудой nmU_o, длительностью τ, определяемой не длиной обкладок, а их шириной, которая значительно меньше. Если имеем m линий, каждая с волновым сопротивлением ρ, то выходное сопротивление линии между тоководами 5, 6 должно быть nmρ и таким же импедансом должна обладать нагрузка, для обеспечения полного вывода энергии из полосковых линий в нагрузку.

Параллельное соединение линий накладывает ряд особенностей на работу спирального генератора. Во-первых, при достижении разомкнутых концов полосковых линий нужно исключить проникновения волны снятия напряжения в неразряжающиеся линии на их концах, например, если обкладки 2 и 4 непосредственно подключаются к анодному фланцу 7, минуя тоководы 5, то волна нуля напряжения обкладок 3, 4 перейдет в неразряжающую линию 2, 3 (на фиг.2 этот путь показан пунктирной стрелкой), и напряжение после достижения U = nmU_o начнет уменьшаться. То же самое может иметь место и на внутреннем диаметре концов полосковых линий. Для исключения этого влияния тоководы 5 и 6 должны обладать определенной длиной и обеспечивать необходимую индуктивность, уменьшающую величину тока разряда из линии 2, 3 в линию 3, 4, для рассматриваемого участка. Во-вторых, при срабатывании каналов многоканального разрядника нужно исключить возможность проникновения волн снятия напряжения в неразряжающие участки полосковых линий. Для этого аноды разрядников соединены между собой через отдельные индуктивности, обеспечивающие развязку линий при пробегах волн по линиям, но позволяющих обеспечивать их зарядку от источника питания. Например, при срабатывании многоканального разрядника 13 и замыкании обкладок 3, 4 разряд линии 2, 3 и 1, 4 происходит через индуктивности 20. Но существенного влияния на потери энергии этот процесс не оказывает, если обеспечиваются условия, что индуктивность 20 значительно больше погонной индуктивности формирующей линии. Если пара выводов коммутируемых обкладок 1, 2 и 2, 4 будет охвачена ферромагнитным сердечником 21 (фиг.1), то значение тока разряда заряженных линий будет ограничено током перемагничивания ферромагнитного сердечника. В-третьих, катод 15 многоканального разрядника замыкает между собой обкладки 2, 4 полосковой линии, это допустимо, поскольку при синхронной работе искровых промежутков разрядника 13, точки подключения обкладок 2, 4 являются однопотенциальными. Но при формировании импульса разрядника оказывается под потенциалом nmU_o относительно точки заземления, т.е. анодного фланца 7. Поэтому, с целью исключения паразитного разряда полосковых линий, цепи управления и питания разрядника охвачены ферромагнитным сердечником 23, который образует дроссель (может быть и многовитковым), препятствующий нарастанию тока и разряду полосковых линий, расположенных на внешнем диаметре относительно места подключения многоканального разрядника.

Как следует из принципа работы, время нарастания напряжения в предложенном устройстве с параллельно работающими линиями будет в m раз короче по сравнению с известной схемой устройства при одинаковом зарядном напряжении. Это позволяет сократить время воздействия высокого напряжения на изоляцию устройства в согласующей линии 5, 6 на изоляторе 22, и за счет увеличения электрической прочности изоляции при воздействии коротких импульсов и уменьшения длительности самого импульса повысить импульсную мощность устройства.

В качестве примера технического исполнения устройства рассмотрим ускоритель на энергию электронов 750 кэВ, ток 30 кА с длительностью формируемого импульса 10 нс. Принимаем зарядное напряжение U_o = 65 кВ, число оборотов полосковых линий n = 3, а число линий m будет равно 4, то есть, чтобы выполнялось условие 750 кВ = m˙n 65 кB. Для исполнения пушки типа плоского диода принимаем диаметр изолятора 22≈50 мм. При диаметре катода 40 мм зазор катод-анод составляет 6 - 8 мм с сопротивлением пучка в магнитном поле (1-1,5) Тл. Принимаем длину тоководов 5, 6 500 мм, а ширину обкладок полосковых линий 400 мм. Тогда длительность формируемого импульса с использованием обостряющего разрядника при бумажно-масляной изоляции будет
τ = = =12·10^-9 с, где l - сумма ширины обкладок и длины тоководов, ε- относительная диэлектрическая проницаемость изоляции ( ε≈4), с - скорость света.

Для получения тока 30 кА при напряжении 750 кВ волновое сопротивление должно быть 750:30 = 150 м, а волновое сопротивление линии 0,8 Ом. Одинарная полосковая линия обладает сопротивлением
ρ = =0,625 Ом,
d - расстояние между обкладками, принимаем равным 2,5 мм, т.е. напряженность поля между обкладками 25 кВ/мм, h - ширина обкладок. В принципе ширину обкладок полосковых линий h можно взять меньше (около 360 мм), но с учетом потерь при коммутации, перетекания тока между линиями, берем их на 15% шире, чем требуется, высота набора намотки полосковых линий при толщине обкладок 0,2 мм составит примерно 100 мм. Принимая наружный диаметр намотки 600 мм, внутренний диаметр составит 400 мм, а средний диаметр 500 мм. Для получения трех оборотов требуется длина обкладок 4,8 м. Длительность фронта импульса, формируемого между тоководами 5, 6, составит 2 τ= = = 32·10^-9 с=32 нс, отметим, что при прочих равных условиях при использовании одинарной полосковой линии длительность фронта составила бы 90 нс.

Обостряющий разрядник 9 должен срабатывать при напряжении порядка 900 кВ, чтобы за время его срабатывания 5 нс, напряжение на выходе линии достигло максимального значения. Тоководы длиной 500 мм обладают индуктивностью 10^-7 Гн, и за время τ/2 (время действия напряжения на них) ток перетекания заряда из одной линии в другую составит
I = = 520 A, что приведет к уменьшению напряжения на единицы процента.

Многоканальный разрядник должен содержать четыре узла коммутации. В основу принимаем конструкцию разрядника, рассмотренную в [ПТЭ, N 1, 1988, с. 111 - 116] , в каждом узле выполняем по шесть каналов, а их соединяем между собой индуктивностями 20 величиной по 10^-6 Гн (четыре витка на диаметре 5 см). Поскольку анодный делитель каналов не имеет электрической связи с анодами, изоляция анодных делителей должна быть рассчитана на 65 кВ. Шесть каналов на одну полосковую линию взято из условия обеспечения фронта коммутации 5 - 10 нс. Ферромагнитные сердечники 21 должны обеспечить потокосцепление U_oτ= ΔB˙S, где ΔB - размах индукций в материале сердечника, S - сечение ферромагнитного материала, в нашем случае
S = 7 см². В то же время сердечник 23 должен обладать большим в m раз потокосцеплением, и принимаем, что цепи управления и питания охватывают сердечник 23 четыре раза, это позволит использовать один и тот же типоразмер ферромагнитного пермаллоевого сердечника, например К100х50х30, 50НП-0,01. Конструктивно ускоритель, блок источника питания (импульсный трансформатор 42, накопитель 27, тиристор 28, дроссель насыщения) размещаются в диэлектрическом баке диаметром 600 мм, длиной 1,4 метра, и заземляется только металлический анодный фланец 7.

Использование: для генерации мощных электронных пучков наносекундного диапазона. Сущность изобретения: поставленная цель достигается за счет использования m ( 2, 3, 4, 5) полосковых формирующих линий, уложенных по m-заходной спирали Архимеда и подключенной к катод-анодному промежутку через обостряющий разрядник. Коммутация линий осуществляется на середине длины многоканальным разрядником, аноды которого соединены между собой индуктивностями, а цепи управления и питания многоканального разрядника охвачены ферромагнитным сердечником. 5 ил.

СИЛЬНОТОЧНЫЙ НАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий одинарную полосковую формирующую линию, свернутую в спираль, коммутатор, включенный между электродами линии на середине ее длины, и обостряющий разрядник для подключения линии к нагрузке, отличающийся тем, что, с целью увеличения импульсной мощности за счет сокращения фронта импульса формируемого напряжения и обеспечения симметричного подключения нагрузки, формирующая линия выполнена в виде многозаходной спирали из m одинаковых полосковых линий (m = 2, 3 ... ), обостряющий разрядник и нагрузка подсоединены к обкладкам полосковых линий, образующих формирующую линию, через токопроводы, образующие согласующую линию, разрядник, осуществляющий коммутацию полосковых линий, выполнен многоканальным с общим катодом и числом каналов, равным числу заходов спирали, причем выводы обкладок, подключенных к анодам разрядников, соединены между собой через индуктивности, каждая пара выводов обкладок полосковых линий, подключенных промежутками многоканального разрядника, а также цепи питания и управления многоканального разрядника охвачены ферромагнитным сердечником.