Генератор импульсов высокого напряжения

 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при питании ускорителей заряженных частиц, источников рентгеновского излучения и других электрофизических установок импульсами высокого напряжения с горизонтальной вершиной. Генератор импульсов высокого напряжения выполнен по схеме Аркадьева-Маркса и содержит n накопительных конденсаторов, n разрядников, 2n зарядных резисторов, источник питания, нагрузку, корректирующий конденсатор, последовательно соединенные индуктивность, разрядник, резистор, диод. 2 ил.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для питания ускорителей заряженных частиц, источников рентгеновского излучения и других электрофизических установок импульсами высокого напряжения с горизонтальной вершиной.

Известен генератор импульсных напряжений, в котором коррекция вершины импульса происходит благодаря разряду корректирующего конденсатора через резистор [1] .

Недостаток устройства состоит в неравномерности напряжения на вершине импульса. Это связано с тем, что начальный участок экспоненциально уменьшающегося выходного напряжения генератора, подвергаемый коррекции, имеет практически линейный характер, а корректирующее напряжение изменяется во времени нелинейно, так как представляет собой полный экспоненциальный разряд корректирующего конденсатора через резистор.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является генератор импульсов высокого напряжения, выполненный по схеме Аркадьева-Маркса, в котором спад напряжения на нагрузке компенсируется колебательным перезарядом корректирующего конденсатора через катушку индуктивности и разрядник, а корректирующий конденсатор включен между накопительными конденсаторами и общей шиной [2] .

Недостаток генератора заключается в неравномерности вершины импульса на нагрузке, поскольку корректирующее напряжение изменяется нелинейно.

Цель изобретения - повышение равномерности вершины импульса на нагрузке.

Цель достигается тем, что в генераторе импульсов высокого напряжения, выполненном по схеме Аркадьева-Маркса, содержащем накопительные конденсаторы, разрядники, зарядные резисторы, источник питания, нагрузку и корректирующий конденсатор, включенный между накопительными конденсаторами и общей шиной и шунтированный последовательно соединенными индуктивностью и разрядником, индуктивность зашунтирована параллельно соединенными резистором и полупроводниковым диодом, включенным в обратном направлении по отношению к полярности напряжения на корректирующем конденсаторе, а величина емкости корректирующего конденсатора С, индуктивности L и сопротивления резистора R выбраны в соотношении: 1 ≅ R/ ≅ 3.

Существенным отличительным признаком заявленного устройства является шунтирование индуктивности параллельно соединенными резистором и диодом и выбор величин R, L, C в контуре коррекции в соответствии с вышеприведенным соотношением. Выполнение этого соотношения приводит к тому, что уменьшение тока через резистор контура коррекции при разряде корректирующего конденсатора компенсируется увеличением тока через корректирующую индуктивность так, что корректирующий конденсатор разряжается практически в режиме постоянного тока, т. е. напряжение на нем падает линейно. Коррекция линейно убывающего напряжения на выходе генератора с помощью также линейно изменяющегося напряжения корректирующего контура и приводит к достижению цели, а именно позволяет существенно повысить равномерность вершины импульса на нагрузке. В том случае, если вышеприведенное соотношение между величинами R, L и С элементов корректирующего контура не выполняется, то происходит увеличение неравномерности вершины импульса генератора из-за того, что корректирующий конденсатор начинает разряжаться нелинейно. Так, при R/ < 1 корректирующий конденсатор начинает разряжаться в основном через резистор в апериодическом режиме по экспоненциальному закону, а при R/ > 3 основной ток разряда корректирующего конденсатора проходит через индуктивность в колебательном режиме.

При анализе научно-технической и патентной литературы не было обнаружено устройство с описанными признаками. Таким образом считаем, что заявленное устройство является новым и отвечает критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена принципиальная схема генератора импульсов высокого напряжения; на фиг. 2а-в - осциллограммы напряжений и токов на элементах генератора, поясняющие принцип его работы.

Генератор выполнен по схеме Аркадьева-Маркса и содержит накопительные конденсаторы 1, разрядники 2, зарядные резисторы 3, источник 4 питания, нагрузку 5. Корректирующий конденсатор 6 включен между накопительными конденсаторами и общей шиной и шунтирован последовательно соединенными индуктивностью 7 и разрядником 8. Индуктивность 7 в свою очередь зашунтирована параллельно соединенными резистором 9 и полупроводниковым диодом 10, включенным в обратном направлении по отношению к полярности напряжения на корректирующем конденсаторе. Указанное на фиг. 1 направление включения диода 10 соответствует положительной полярности напряжения источника 4 питания и корректирующего конденсатора 6. Импульс напряжения генератора на нагрузке 5 имеет при этом отрицательную полярность. При изменении полярности источника 4 питания направление включения диода 10 также меняется на противоположное.

Генератор работает следующим образом. От источника 4 питания происходит заряд накопительных 1 и корректирующего 6 конденсаторов через зарядные резисторы 3. В момент времени t₁ (см. фиг. 2) производится запуск разрядников генератора 2 и разрядника 8 в корректирующем контуре и на нагрузке 5 генерируется импульс напряжения U_н, амплитуда которого равна алгебраической сумме напряжения на накопительных конденсаторах генератора U_г и на корректирующем конденсаторе U_к. В течение времени коррекции t_кор. = t₂ - t₁ происходит разряд корректирующего конденсатора 6 от первоначального напряжения источника питания до нуля.

На фиг. 2а приведены полученные на физической модели осциллограммы токов в элементах корректирующего контура для случая, когда выполняется соотношение 1 ≅ R/ ≅ 3 При этом уменьшение разрядного тока через резистор 9 i_Rкомпенсируется нарастанием тока в индуктивности 7 i_L, а ток разряда конденсатора 6 i_C, равный их сумме, имеет квазипрямоугольную форму. Ток через диод 10 i_D в течение времени коррекции равен нулю, а в момент времени t₂ происходит переключение тока i_L на диод 10, что приводит к шунтированию корректирующего конденсатора 6. Оптимальное отношение R/ близко к 2. Осциллограмма разряда корректирующего конденсатора для этого случая приведена на фиг. 2б (кривая 11). Изменение отношения R/ от 3 до 1 иллюстрируется кривыми 12 и 13. Таким образом, в заявленном генераторе реализуется линейный разряд корректирующего конденсатора в отличие от известных устройств, где корректирующий конденсатор за время коррекции разряжается по экспоненте через резистор (кривая 14), либо в колебательном режиме через индуктивность (кривая 15).

На фиг. 2а приведены осциллограммы напряжения на корректирующем конденсаторе U_к, на выходе генератора U_г при отсутствии контура коррекции и осциллограмма на нагрузке U_н = U_г + U_к при совместном включении накопительных и корректирующего конденсаторов. Видно, что линейный спад напряжения U_г на участке коррекции компенсируется также линейным изменением напряжения на корректирующем конденсаторе, что и приводит к постоянству вершины импульса на нагрузке в течение времени коррекции.

Экспериментальная проверка предложенного генератора была проведена на низковольтной физической модели при напряжениях ≈ 100-200 В. В качестве разрядников использовались тиристорные ключи. Характерное время коррекции t_корр составляло 20-40 мкс. Оптимальная величина отношения R/ подбиралась с помощью переменного резистора 9 в цепи коррекции. В качестве нагрузочного сопротивления 5 использовался также переменный резистор. Полученные осциллограммы приведены на фиг. 2а-в.

Измерения показали, что при выполнении условия 1 ≅ R/ ≅ 3 неравномерность напряжения на нагрузке U_н на вершине импульса составляет 1-2% , а при оптимальном отношении R/ ≃ 2 неравномерность напряжения была менее 1% . Измеренная неравномерность напряжения на вершине импульса для известных устройств с разрядом корректирующего конденсатора только через резистор, либо индуктивность составила 6-10% .

Таким образом, заявленный генератор позволяет повысить равномерность вершины импульса на нагрузке примерно в 6-10 раз по сравнению с известными устройствами.

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, выполненный по схеме Аркадьева-Маркса, содержащий накопительные конденсаторы, разрядники, зарядные резисторы, источник питания, нагрузку и корректирующий конденсатор, включенный между накопительными конденсаторами и общей шиной и шунтированный последовательно соединенными индуктивностью и разрядником, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности вершины импульса на нагрузке, индуктивность зашунтирована параллельно соединенными резистором и полупроводниковым диодом, включенным в обратном направлении по отношению к полярности напряжения на корректирующем конденсаторе, а величины емкости корректирующего конденсатора C, индуктивности L и сопротивления резистора R выбраны в соотношении 1 ≅ R/ ^<_~ 3. .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2