Многоканальный генератор высоковольтных импульсов Советский патент 1980 года по МПК H03K3/53 

(54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ

.ИМПУЛЬСОВ

1

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть иопользовано для управления синхронным выключением многих раздельных разрядников, при проведении высоковольтных импульсных исследований.

Известен многоканальный генератор высоковольтных импульсов, содержащий накопитель из отрезков кабеля, расположенных радиально и присоединенных центральными проводниками и дисковому электроду механически управляемого разрядника; к другому аналогичному электроду разряд- . ника также присоединены отрезки кабеля, передающие высоковольтный импульс к по- требителям при прокалывании острием . пленки, изолирующей электроды разрядни-, ка .

Недостатками известного устройства является низкая точность момента вре- у) менного срабатывания генератора относительно пускового импульса и ограничение дисковыми электродами разрядника длительности фронта высоковольтного импуль-

оа, также бо№шая громоздкость из-за малой плотности электрической энергии, запасаемой в кабелях-накопителях, и низкая надежность к неуправляемому пробою кабелей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является многоканальный генератор высоковольтных им-. пульсов, содержащий последовательно включенные низкоимпедансный накопитель на основе конденсаторов с высоким значением диэлектрической пронидаемости и электрически управляе(йый по принципу возмушения поля коммутатор, соединительную Л№лию, газон&опненный разрядншс-обостритель с коаксиальными электродами и передающую линию из параллельно включенных волноводов 2l, Разрядник-обостритель вьшолнен с волновым сопротивлением, равным на всей его длине волновому сопротивлению соединительной и передающей ЛИНИИ; : кабели которых расположены в один ряд по цилиндрической noaiepxности, совпадающей с кольцевым разрядным промежутком разрядника-обострйтеля, и присоеаинены оплетками и. центральными НрОббДнйЖайИ собтветСТвённЬ к внешнему тру 64aTo iviy и к коакСиальному ему Внут . реннему цилиндрической формы электродам разрядника-обострителя. ,Такой мнсгокацальный генератор имеет более высокую точность срабатывания и более короткий фронт импульса, габариты накопителя меньше, а надежность выше. Недостатками известного генератора : являютсяразновременность поступления импульса напряжения в волноводы передающей линии, что связано с формированием случайно расположенного в зазоре разрядного обострителя разрядного сильноточного канала; ограни 1ение числа волновод передающей линии волновым сопротивлением . разрядника-обострителя; увел.иченная дли. ..тбльность фронта импульса из-за большого .импульсного тока через канал в разряд ник-обостритель; пониженная стабильность работ; генератора от запуска к зёпуску из-за высокой эрозии поверхностей электродов разрядника-обострителя и из-за трудности начальной установки и поддер; Жанйя б йинакового зайора кольцевого разрйдйого г{ръмёжут1са; сложность конструкции генератора из-за большой площади электродов разрядника-обострителя, заполненного газом под давлением вышеЮ Па (1О ат), что требует выполнения корпуса . разрядника-обострителя, выдерживающего больщие статические и динамические нагрузки от ударных волн в газе при разряде Кроме того, форма и фронт импуль- дйнйом передающем волноводе нестабильны от включения к включению генератора из-за разной Удалённ 5стй ёшшвЬда от места канала разряда в кольцевом разрядном промежутке, Цель изобретений- умеЖШё1ШраЭйсч временности передачи импульса в волновод Ды; увеличение числа еблнбводов, сокращение длительности переднего.фронта импульса, повышение стабиль1ности работы генератора и упрощение его конструкции. Поставленная цель достигается тем, . что в многоканальном генератореВЫСОКО вопьтных импульсов напряжения, содержа щём послёДоватёльйо Ъключбнньгё накопитель с управляемйикЪммутатором; соединительную линию, газонаполненный разрядник-обостритель с ко)аксиальными электрьдамй и передающую линию из пьраллелЬ ктт:тт вттттв,ё1Гётръъ.ы аарядника-обострйтеля выполнены в виде дбузс согласобалных по волновому сопротИвленйю коаксиальных конических перехо-. дов, обраuieHHbix вершинами друг к другу, внешние электроды которых соединены непбсредственно, а между торцами внутренних электродов в месте их наименьшего диаметра образован, как минимум, один кольцевой разрядный промежуток, причем между электродами разрядного промежутка обострителя размещен твердый диэлектрик, а один или оба электрода имеют выступы, равномерно расположенные по окружности промежутка, при этом разрядник-обостритель снабжен устройством для перемещения диэлектрика на длину, превыщающую азимутальную протяженность одиночного выступа,, Многоканальный генератор при таком его выполнении уменьщает разновременность поступления импульса высокого напряжения на входы всех волноводов передающей линии от включения к включению генератора, ибо диаметр кольцевого разрядного промежутка меньше диаметра окружности, по которой размещаются волноводы передающей линии, например, отрезки кабелей, а также увеличивает число этих волноводовиз-за возможности увеличения диаметров конусных оснований внутреннего и внещнеГо электродов перехода в месте присоединения к ним передающих импульсы волноводов. Увеличение диаметров достигнуто тем, что оба конусных перехода для оптимальности работы генератора согласованы по волновому сопротивлению между собой, а также с соединительной и передающей лйниями. На участке от промежутка до места подключения волноводов закон изменения волнового сопротивления по длине перехода может быть любым, Что достигается соответствующим изменением отнощения диаметров эдектро- дОв перехода ё частности, диаметры оснований электродов выходного перехода в месте подключения волнов1одов передающей линии могут быть больще. диаметров оснований аналогичных электродов входного перехода, что и позволяет увеличить .число передающих волноводов, Вьшолнение входного перехода с увеличивающимся по направлению от конца до кольцевого разрядного промежутка вoJ;Iнoвым сопротивлением приводит к повышению амплитуды тапряжения импульса при сохранении его мощности, что способствует укГеньшению длительности фронта импульса за обострителем, уменьшению эрозии поверхностей электродов и запыленности изоляторов, что, в свою очередь, стабилизирует время заяержки пробоя кольцевого разрядного про межутка от включения к включению гене, ратора и повышает ресурс работы генера тора. Увеличение толщины изоляции между внешними и внутренними электродами обострителя против места создания коль:цевого разрядного промежутка в сочетани с уменьшением диаметра кольцевого разрядного промежутка упрощает конструкцию и размещение здесь изолирующего корпуса газонаполненного разрядного промежут ка; давление газа в обостряющих промежутках составляет, как правило, свыше 10 ат, в результате чего на электроды , кольцевого разрядного промежутка и связанные с ними элементы и узлы действу ет большое статическое усилие, достигающее при диаметр.е кольцевого разрядного промежутка 200 мм величины около 3000 кг, С уменьшением диаметра кольцевого разрядного промежутка снижаются требования к механической прочности элементов кольцевого разрядного промежутка в частности его изолирующего корпуса, что упрощает конструкцию разрядника-обо стрителя и повышает надежность его работы. Уменьщёние диаметра кольцевого разрядного промежутка упрощает юстировку внутренних электродов и обеспечивает рав номерность кольцевого разрядного промежутка по всему его периметру;, что та;Есже по вышает стабильность пробивных характеристик. кольцевого разрядного промежутка с ростом числа запусков генератора. Для дополнительного сокращения дли тельности фронта импульса в кольцевом разрядном промежутке (КРП) размещен твёр дый диэлектрик, а длина зазора в ряде мест, равномерно расположенных по окружности кольцевого разрядного промежутка, умень шена за счет выступов на одном или обоихэлектродах, образующих КРГТ.Сокращение, длины промежутка и увеличение потому пробивной напряженности электрического поля в нен за счет изоляции электродов твердым диэлектриком, например, пленкой из полиэтилена, способствует увеличению крутизны роста тока в канале при пробое диэлектрика и поэтому уменьшению длительности фронта импульса в ПЛ, На .фиг, 1 изображена схема многоканального генератора на фиг, 2 вариант, выполнения его разрйдника-обострителя. Накопитель 1 электрической энергии (.фиг, 1) соединен посредством управляемого коммутатора 2 с соединительной линией 3, которая через газонаполненный разрядник-обостритель 4 связана с пере738115дающей линией Б. В качестве накопителя 1 может использоваться батарея из конденсаторов, одиночная или двойная линия с распределенными параметрами, индуктивный накопитель, а в качестве коммутатора 2 - многоканальный или несколько параллельно соединенных газонаполненных .разрядников, управляемых .по принципу воЗмуШейия пЬля. Соединительная линия 3 может быть вьшолнена в виде параллельно включенных отрезков кабелей в виде участка одиночной коаксиальной низкоимпедансной лини, а передающая линия 5 - из размещённьис по окружности на внешнем периметре электродов разряд-ника-обострителя (РО) отрезков радиочастотных кабелей, Разрядник-обостритеЛь выполнен в виде двух конусных коаксиальных переходов (КП)-входного и выходногб -- съотвё стШШВ §а ШЩШсс дйн1 тельной линии 3 и перед началом передающей линии 5. Переходы обращены верщинами один к другому; их внейтние конусные электроды 6 соединены между собой непосредственно; между торцами внутренних электродов 7 в месте их наименьшего диаметра образован кольцевой газонаПолненньтй ( 1 ат) разрядный промежуток 8 с изолиру;ющим корпусом 9. Корпус представляет собой как бы распорную шайбу между внутренним и- внешним :ЗлектроД|ами высокьвольтной линии; его целесообразно вьшолнять из-электрически и мека ническйхфочного материала, в частности яз кап рдлона, . В случае заполнения объема между электродами 6 и 7 изоляцией с величиной диэлектрической постоянной, близкой к величине дйэлектрвческой постоянной материала корпуса, волновое сопротивление конусных переходов в их наиболее узком месте не испытывает скачка. Электроды 6 и 7 входного коаксиального перехода спрофилированы так, что волновое сопротивление образуемой ими линии увеличивается по мере приближения к кольцевому разрядному промежутку, для чего в каждом последующем поперечном сечении отнсяиение D/d диаметроё- соответственно наружного D и внутреннего d электродов увеличивается. Для передачи через переходы импульса с наименьшими отраже- ниями и искажениями оптимальным является изменение по их длинам одновременно диаметров ТЗ и d обоих электродов 6 и 7; по этой же причине длина перехода должна быть больше максимального диаметра 1э внешнего проводника. Макси7мальный диаметр D выходного коаксиаль- Него перехода болыле максимального диаметра D входного коаксиального перехода, что позволяет присоединить к разряднику-обострителю большее число переда- romiK волноводов, чем число таких же вол- новодов соединительной лин1йи. Для уменьшения волновых сопротивлений переходов целесообразно заполнять объем между их электродами изолирующей средой с высокими частотными характеристиками и с большим значением относительной диэлектрической постоянной Е в частности ; деионизованной водой с Н - 81; вода при длительности импульса в несколько десятков.имеет электрическую пробивную напря женность не выше 1 МВ/см. При необходимости уменьшить давление газа в коль- цевом разрядном промежутке и {или) сократить длительность фронта импульса мо.Гут быть размещены последовательно один за другим два и более кольцевых разрядных промежутка. Ни фиг, 2 показано размещение между электродами кольцевого разрядного промежутка твердого диэлектрика 10, например круга, из полиэтилена. При этом места пробоев в КРП локализованы, для чего электрод 7 входното коаксиального перехода имеет . в кольцевом зазоре четыре выступа 11, равномерно расположенные по длине окружности кольцевого разрядного промежутка (на разрезе А-А показа- . на для упрощения только торцовая часть электрода 7). Оба электрода приближены один к другому на расстояние, определяемое толщиной твердого диэлектрика. Диэлектрик 10 (круг) присоединен к стержню 12, например, из изоляционного материала; стерже11Ь.. герметично уплотнен в электроде выходного коаксиальногоперехода (делители уплотнения, например, чередующиеся прокладки из резины и метал ла, на фиг. 2 не показаны). Диэлектрик 10 посредством стержня 12 поворачива- ют после каждого включения генератора, на .определенный угол для-расположения против выступов 11 непробитых участков изоляции, Принцип .действия генератора состоит в следующем (фиг. 1), Срабатывает коммутатор 2, накопитель 1, разряжаясьчерез импеданс линии 3, создает в ней волну напряжения, которая по достижении входного коаксиального перехода (КП) расг1ростра1-1яется по ие , му до кбЩзцевого рязрядиогб промежутка i(KPn) и пробивает его. Так как входной

738115 коаксиальный переход имеет на входе ВиЛновое сопротивление .меньше, чем волновое сопротивление Pgt,, на его выходе у кольцевого разрядного промежутка, то при распространении волны по этому коаксиальному переходу происходит увелич ение амплитуды импульса в К раз при сохранении мощности импульса 9ъш1, ex(1) Это означает, что в К раз уменьшается ток через искровой канал в кольцевом разрядном промежутке,, а этр в совокупности с увеличением напряженности поля уменьшает длительность фронта импульса за обострителем, ибо время коммута.ции -t связано с током .3 и начальной напряженностью электрического поля Е зависимостью. 4- 9-1оЛ Р) (2) где Р - давление газа в кольцевом разрядном промежутке. Уменьшение разрядного тока снижает эрозию электродов .и запыленность изоляторов, что стабилизирует время задержки пробоя кольцевого разрядного промежутка и повышает-ресурс работы генератора. Из-за увеличения волнового .сопротивления по длине входного коаксиального перехода увеличивается т.олщина изоляции -между наружными и внут ренними электродами конусных переходов против места создания кольцевого разрядкого промежутка, что упрощает конструкцию и размещение здесь изолирующего корпуса разрядного обостряющего промежутка. После пробоя кольцевого радрядного промежутка импу.льс напряжения с укороченным фронтом распространяется по выходному коаксиальному переходу и переходит с него в линии 5. А так как диаметр кольцевого разрядного промежутка меньше диаметра этой окружности, например, в 5 раз, то в 5 раз умёньщается по сравнению с известным и равновременнооть передачи импульса напряжения во все ВОЛНОВОДЫ. Уменьшение диаметра кольцевого разрядного промежутка снижает механические напряжения в элементах разрядного промежутка, например, в корпусе . 9, что упрощает конструкцию разрядникаобострителя и повыщает надежность работы генератора, Уменьщёние диаметра делает менее сложной юстировку внутренних электродов с целью достижения равномерности кольцевого разрядного промежутка по всему его периметру, что также повышает стабильность пробивных характеристик кольцевого разряпного промежутка с ростом числа запусков генератора. Выпол нение выходного перехода с конусными электродами, закон изменения волйового сопротивления по длине которого может быть любым, а диаметр электродов на вы ходе больше диаметра электродов входного коаксиального перехода, позволяет уве личить число передающих волнобсдов. При этом удобным оказывается изменение ак плитуды импульса напряжения в волноводах заменой выходного коаксиального перехода другим, с иным законом изменения волнового сопротивления по его длине и на конце коаксиального перехода. Размещение твердого диэлектрика между электродами кольцевого разрядного про межутка и уменьшение при этом длины промежутка позволяетдополнительно уменьшать длительность фронта импульса в волноводах. Известно, что пленочные диэлектрики типа пoлиэтилeнaj полиэтилен-терефталата и др, имеют на импульсах длитель ностью в десятки наносекунд импульсную электрическую прочность свыше 4 МВ/см, в то время как пробивная напряженность газонаполненных промежутков примерно на порядок ниже, А так как согласно формулы (2) время коммутации сокращается с ростом , то укорачивается и длительность фронта импульса напряжения за обострителем. При типичных амплитудах импульсов напряжения 5О-100 кВ возможно сокращение длины кольцевого разрядного промежутка до 0,1-О,2 мм. На фиг. 2 между электродами кольцевого зазора размещен круг из полиэтиленовой или лавсановой пленки, а места возможных пробоев изоляции локализованы за счет выступов 11. После включения генератора и пробоя пленки, круг перед очеред ным Запуском генератора поворачивают при помощи стержня 12 на угол, длина дуги которого больше азимута ЛЕПНОЙ протяженности выступа 11. Сокращение длины разрядного канала в кольцевом разрядном промежутке и увеличение напряженности электрического, поля в нем позволяют уменьшить длительность фронта высоковольтного импульса. При этом временная нестабильность пробоя пленки от им пульса к Импульсу не превышает доли или единицы наносекунд,. Кроме описанного возможны другие варианты перемещения в частности, протя- твердого диэлектрика, гиванйе пленки, Такие многоканальные генераторы особенно перспективны для использования их , в состайё установок, в которьос необходиМО синхронно управлять включением нескольких сотен или тысяч разрядников, на- пример, в многсэлвментйых ускорителях сильноточньк пучков электронов на ради-1 альных пиниях. ормулв изобретения 1, Многоканальный генератор высоковольтных импульсов, содержащий последоватёльно включенн1ые какбпитбпь с управля- fctbiM ШШлугбтЪрШ, с6еШ1Нитёль 1 ю , газонаполненяый разрядник-обостритШ6 к6ШсШШьШ1ми элёктройа1м1Гредаюшую Лини56из параллельно включе ных волноводов, отли ч а ю щ и и с я тем, что, с цеЖго умёньшёнйя разновре-йеннЬсти передачи импУльса в волноводы, увеличения числа волноводов, сокращения длительности переднего фронта импульса, повышения стабильности работы генератора и упрощения его конструкции, электроды разрядника-Ьбостритачя вьшолнены в виде дьух согласованных по волновому сопротивлению коаксиальных конических переходов, обраш;ен1 ых вершинами друг к другу, внешние электроды которых соединены непосредственйо, а между торцами в.нутренних электродов, в месте их наи.мбньшего диамгётра,образован как , один кольцевой разрядный промежуток, 2.Генератор поп, 1, отличающийся тем, что между электродами разрядного TiptiMexyTKa обострителя размещ н твердый диэлектрик, а один или оба электрода имеют выступы, равномерно расоложенные по окружности npoi fekyTKa, ричем разрядник-обостритель снабх{ен устройством для перемещения диэлектрика на лину, превышаюгцую азимутальную протяенность ОДИНОЧНОГО выступа, . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Зотов Е, В, и др. Многоканальный генератор высоковольтных имттузгьсов. ТЭ, 1976, М 2, с, 9i; 2,Павловский А, И, и др. Генератор ысоковольтньйс импульсов с многокабельой разводкой. ПТЭ, 1976, № 3,с, 134,

738115

Фив. 2