Устройство для передачи электрической энергии от источника питания к формирующей линии Советский патент 1982 года по МПК H03H7/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ К ФОРМИРУЮЩЕЙ ЛИНИИ Изобретение откосится к высоковольтной импульсной технике, а именно к участкам высоковольтных цепей, через которые передается электрическая энергия от источника питания к формирующей линии, и может быть использовано в ускорителях сильноточных импульсных пучков заряженных частиц, например электронов. Известно устройство для передачи электрической энергии от источника - генератора умножения напряжения по схеме АркадьеваМар кса или импульсного трансформатора - к одиночной или двойной формирующей линии, содержащее два коаксиальных (внещний и внутренний) проводника 1. Недостатком известного устройства для передачи электрической энергии от источника питания к формирующей линии является отсутствие демпфирования электрических колебаний и пропускание обратного импульса без уменьщения его амплитуды. Поэтому для предотвращения пробоя изоляции увеличивают расстояние между коаксиальными проводниками и увеличивают толщины изоляции в источнике и формирующей линии, что приводит к росту габаритов и массы устройства, к ухудшению его электрических характеристик, например к увеличению индуктивностей. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому является устройство, содержащее коаксиальные проводники, внещний и внутренний, и включенное в цепь внутреннего проводника нелинейное резистивное сопротивление из вилитовых дисков. Такое устройство демпфирует паразитные электрические колебания и импульсы 2. Недостатком указанного устройства является поглощение электрической энергии при заряде формирующей линии от источника (при трех вилитовых дисках потери энергии составляют 14%), а также слабое уменьщение амплитуд паразитных колебаний и импульсов, особенно амплитуды первой полуволны колебательного напряжения и амплитуды обратного импульса. Цель изобретения - увеличение КПД передачи электрической энергии от источника питания к формирующей линии и повышение надежности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве передачи электрической энергни от источника питания к формирующей линии, содержащем коаксиальные внешний и внутренний проводники и резистор, причем формирующая линия содержит по меньщей мере высоковольтный электрод, соединенный с внутренним проводником, резистор расположен между коаксиальными проводниками и соединен непосредственно с внутренним проводником, а через разрядник - с внешним проводником. При таком выполнении устройства дополнительно повыщается надежность и ресурс работы источника питания и формирующей линии в связи с уменьщением длительности колебательного процесса перекачки энергии между ними и или амплитуды напряжения обратного импульса. Устройство может содержать резистор, охватывающий внутренний проводник и выполненный из объемно-проводящего материала с равной двусторонней .проводимостью, например водного раствора медного купороса, причем резистор имеет на любом радиусе от оси коаксиальных проводников постоянную величину площади его сечения цилиндрической поверхностью. В этом случае сопротивление резистора постоянно по направлению к внешнему проводнику, т. е. по радиусу от оси проводников, что повыщает электропрочность резистора из-за равномерного падения напряжения по длине резистора после срабатывания разрядника и понижает напряженность электрического поля на поверхности внутреннего проводника в пределах длины резистора. Резистор может быть выполнен из твердого объемно-проводящего м.атериала, например полиэтилена в смеси с сажей, в виде полого цилиндра, насаженного на внутренНИИ проводник. В этом случае для обеспечения постоянного сопротивления по радиусу целесообразно удельное электрическое сопротивление материала изменять прямо пропорционально изменению радиуса, в частности, ВЫПОЛНИТЬ резистор из слоев с указанным законом изменения удельного сопротивления. Резистор может быть выполнен также в виде серии автономных резисторов, размещенных вокруг внутреннего проводника, что упрощает изготовление резистора. Разрядник может быть выполнен в виде серии автономных разрядников, что упрощает его изготовление и обслуживание. На чертеже показан вариант устройства для передачи электрической энергии от источника питания к формирующей линии. Источник 1 питания, например генератор уменьщения напряжения по методу Аркадьева-Маркса, электрически соединен с формирующей линией 2, например радиальной линией, посредством устройства для передачи электрической энергии, содержащего два коаксиальных лроводника 3 и 4 внещнего и внутреннего. Внутренний проводник 4 охвачен резистором 5, например, на основе водного раствора медного купороса, которым заполнен корпус 6 из твердого диэлектрика, причем электролит непосредственно контактирует с поверхностью внутреннего проводника 4. Резистор имеет постоянную величину площади его сечения цилиндрической поверхностью на любом радиусе от оси коаксиальных проводников 3 и 4 и имеет поэтому постоянную величину сопротивления по направлению к внешнему проводнику 3. Между кольцевым электродом 7 резистора и внешним проводником 3 размещены симметрично по окружности разрядники 8, например, тригатроны. Формирующая линия 2 содержит между дисковыми электродами 9 и 10 высоковольтный дисковый электрод 11, присоединенный к внутреннему проводнику 4, и кольцевой коммутатор 12, размещенный между краем высоковольтного дискового электрода 11 по направлению к оси линии и дисковым электродом 10. В центре формирующей линии расположена нагрузка 13, присоединенная к -дисковому электроду 10 непосредственно, а к дисковому электроду 9 через ключ 14. Источник 1 питания имеет волновое сопротивление больще, чем волновое сопротивление устройства, которое в свою очередь больше волнового сопротивления формирующей линии 2, что типично для большинства таких импульсных систем. Для упрощения рисунка уплотняющие прокладки не показаны. Устройство работает следующим образом. От источника 1 питания подается импульсный ток через проводники 3 и 4 и происходит зарядка распределенной емкости формирующей линии 2 между высоковольтным дисковым электродом 11 и дисковыми электродами 9 и 10. Так как в цепь внутреннего проводника 4 не включено последовательное активное сопротивление, то потери электрической энергии при зарядке не происходит. Целесообразно для снижения потерь удельное электрическое сопротивление f электролита и осевую протяженность резистора 5 выбирать такими, чтобы глубина скин-слоя на частоте тока зарядки была много больш t. При нормальной работе формирующей линии 2 по достижении номинальной разности потенциалов между ее электродами включают коммутатор 12, в результате чего в центральной области формирующей линии генерируется и.мпульсное напряжение чередующейся полярности. Нагрузку 13 подключают ключом 14 одновременно со срабатыванием коммутатора 12 при работе нагрузки в течение длительности первой полуволны импульсного напряжения или по истечении длительности этой полуволны для работы на второй полуволне. Если величина нагрузки 13 больще , волнового сопротивления формирующей линии 2 или ключ 14 срабатыв;лт с чадсржкой, то ко входу устройсткл 11рила/-аетси со стороны формирующей линии 2 короткий мощный обратный им 1ульс напряжения с амплитудой, Слизкой к UM, но противоположной полярности, чем зарядное напряжение от источника 1 питания. Этот импульс, проходя по цепям формирующей линии 2 через устройство в источник I питания, увеличивается по амплитуде из-за возрастания волновых сопротивлений и может привести к пробою изоляции устройства и источника питания. Чтобы этого не произощло, в некоторый момент времени после достижения зарядной разности потенциалов UM на формирующей линии 2 включают разрядники 8, которые соединяют проводники 3 и 4 через резистор 5. При этом импульсное напряжение равномерно распределяется по радиусу резистора, что увеличивает его электропрочность и позволяет уменьшить протяженность резистора по радиусу, а в источник 1 питания обратный импульс или не проходит вообще, или его амплитуда существенно уменьшается. Дополнительному уменьшению амплитуды способствует выбор JP электролита и его fc такими, чтобы Ибыло сравнимо с глубиной скин-слоя на частоте тока обратного импульса, когда участок устройства, охваченный резистором, работает для этого импульса как волновод с большими активными потерями. Аналогично изложенному устройство работает в случае случайного пробоя формирующей линии. Если коммутатор формирующей линии не сработал вообще или сработал несвоевременно, то мог бы возникнуть колебательный процесс с перекачкой энергии из формирующей линии в источник и обратно. Но так как проводники устройства соединены посредством сработавшего разрядника через жидкостной резистор, то эти колебания не могут передаваться через устройство вообще или очень быстро затухают, включая первую полуво ну напряжения, за счет поглощения и рассеяния энергии в резисторе. Выполнение резистора на основе водного электролитического раствора позволяет увеличить его мощность и энергоемкость из-за больщой удельной теплоемкости воды. Выполнение разрядника в виде серии автономных разрядников 8 уменьшает собственную индуктивность и активное сопротивление искровых каналов, способствуя тем самым быстрейшему рассеянию энергии в резисторе 5, автономность позволяет упростить ревизию каждого автономного разрядника путем его извлечения через свое отверстие во внещнем проводнике 3. В других вариантах выполнения устройства разрядник может быть с общими кольцевыми электродами, соосными коаксиальным проводникам, может содержать один автономный резистор и один автономный разрядник. Формула изобретения 1. Устройство для передачи электрической энергии от источника питания к формирующей линии, содержащее коаксиальные внешний и внутренний проводники и резистор, причем формирующая линия содержит по меньшей мере высоковольтный электрод, соединенный с внутренним проводником. отличающееся тем, что, с целью повьпиения КПД передачи электрической энергии от источника питания к формующей линии и надежности устройства, резистор расположен между коаксиальными проводниками и соединен непосредственно с внутренним проводником, а через разрядник - с внеш проводником 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что резистор охватывает внутренний проводн-йк и выполнен из объемно-проводящего резистивного материала с равной двусторонней проводимостью. 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что резистор выполнен в виде полого цилиндра из твердого объемно-проводящего резистивного материала и расположен на внутреннем проводнике. 4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что резистор выполнен в виде серии автономных резисторов, размещенных вокруг внутреннего проводника. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разрядник выполнен в виде серии автономных разрядников, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М., «Советское радио, 1974, с. 217. 2. Демидов Б. А. и др. Повышение на.дежности работы сильноточных импульсных ускорителей при помощи нелинейных сопротивлений.-ПТЭ, 1975, № 3, с. 38 (прототип).