Способ генерирования высоковольтных импульсов и устройство для его осуществления

 

Применение: высоковольтная импульсная техника и электрофизические технологии. Суть изобретения: предложен способ генерирования импульсов при помощи генератора Маркса. Данный способ позволяет достичь покаскадного обострения фронта импульса, формирующегося в энергопроводе генератора, при покаскадном росте его амплитуды за счет подачи на стартовый разрядник генератора импульсов от генератора запуска по длинной широкополосной однородной линии передачи с параметрами: U_иин ≥ 3 · U_ст, t_ф.иин ≅ 10^-9 с, где U_иин - амплитуда инициирующего разряд генератора импульса напряжения от устройства запуска; U_ст - статическое пробивное напряжение стартового разрядника; t_ф.иин - длительность фронта инициирующего импульса напряжения; последовательной подачи формирующего импульса напряжения на разрядники каскадов, начиная с первого. Покаскадное обострение достигается также за счет выполнения энергопровода генератора в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами. Покаскадное обострение выражается рядом математических соотношений. Из них следует, что длительность фронта импульса на нагрузке зависит только от времени коммутации каждого разрядника генератора и не зависит от электрической длины генератора. Предложен также генератор импульсных напряжений по схеме Маркса. Данный генератор позволяет достичь покаскадного обострения фронта формирующегося импульса напряжения за счет того, что генератор содержит широкополосную однородную длинную линию передачи между устройством запуска и стартовым разрядником, энергопровод выполнен в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами. При этом выполнены соотношения: где k - номер каскада; h_э - расстояние между прямым и обратным токопроводами; с₀ - скорость света в вакууме; ε_r.э - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в энергопроводе; N - количество каскадов в генераторе; t_ф.(k-1) - длительность фронта электромагнитного импульса после срабатывания разрядника (k- 1)-го каскада (при k - 1 = 0 - стартового разрядника); t_{проб.( k-1)} - время пробега электромагнитного импульса по энергопроводу между разрядниками (k - 1)-го и k-го каскадов. Кроме того, постоянная времени разряда емкости каждого каскада выбрана существенно большей, чем длительность фронта после срабатывания разрядника данного каскада, но не большей, чем время пятикратного пробега электромагнитного импульса по линии передачи. Длительность фронта инициирующего импульса напряжения не больше времени двойного пробега по линии передачи, но не меньше длительности фронта импульсов после срабатывания разрядника любого каскада. Постоянная времени заряда межэлектродной емкости разрядника любого каскада и стартового существенно меньше длительности фронта импульса после срабатывания разрядника соответствующего каскада или стартового. Длина разрыва в прямом токопроводе под емкостный накопитель каскада с учетом диэлектрической проницаемости диэлектрика в емкостном накопителе меньше расстояния между прямым и обратным токопроводами с учетом диэлектрической проницаемости диэлектрика в энергопроводе. Технический результат: высоковольтные импульсы с коротким фронтом (менее 10^-9 с) формируются на нагрузке за счет покаскадного обострения фронта импульсов в генераторе Маркса с покаскадным ростом амплитуды формирующихся импульсов. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к высоковольтной импульсной технике, предназначены для получения импульсов высокого напряжения с коротким фронтом и могут быть использованы в различных высоковольтных электрофизических установках.

Известен способ генерирования импульсов с крутым фронтом посредством импульсной зарядки малоиндуктивного конденсатора (емкостного накопителя), включенного на выходе генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Маркса, и отделенного от нагрузки разрядником (Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. "Наука", Новосибирск, СО, 1987, с.41-49). При этом длительность фронта импульса на нагрузке определяется параметрами разрядного контура малоиндуктивного конденсатора, в который входят емкость и индуктивность малоиндуктивного конденсатора, импеданс нагрузки и индуктивное и активное сопротивление разрядного промежутка разрядника между малоиндуктивным конденсатором и нагрузкой на и после стадии коммутации разрядника. За счет использования малоиндуктивного емкостного накопителя на выходе генератора Маркса длительность фронта импульса на нагрузке можно уменьшить на порядок и более по сравнению с разрядом генератора Маркса на нагрузку без использования такого накопителя.

Однако недостатком этого способа является то, что уменьшение длительности (обострение). (Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М., "Советское радио", 1974, с.92-96) фронта импульса на нагрузке достигается только за счет использования на выходе генератора Маркса малоиндуктивного емкостного накопителя и дополнительного разрядника. Поэтому оно (обострение фронта импульса) является слабым.

Наиболее близким по сути и достигаемому результату к изобретению является способ генерирования высоковольтных импульсов при помощи генератора Маркса, описанный в (Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике, с.99-106). Он заключается в том, что скорость распространения волны включения разрядников каскадов генератора Маркса совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны в искусственной линии, образованной индуктивностями каскадов и емкостями каскадов генератора относительно земли. Такой способ генерирования обеспечивает принципиальную возможность генерирования импульсов с временем нарастания (длительностью фронта) меньшим, чем время зарядки генератором собственных емкостей каскадов относительно земли. При этом компенсация возможного медленного нарастания напряжения на нагрузке генератора, начинающегося после достижения напряжением величины где N - количество каскадов генератора Маркса; U_осн - напряжение, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов; z_н - импеданс нагрузки; z_э.х - характеристическое сопротивление энергопровода, обеспечивается за счет разряда емкостей каскадов на энергопровод и нагрузку.

Этот способ позволяет достичь такой минимальной длительности фронта импульса на нагрузке генератора, которая (длительность фронта) примерно равна суммарному времени коммутации в разрядниках каскадов генератора.

Недостатком данного способа является большая длительность фронта импульса на нагрузке генератора, поскольку за время порядка наносекунды, примерно соответствующее времени коммутации разрядника каскада при 2...3-кратном перенапряжении, основные индуктивности и емкости схемы генератора Маркса не успевают существенно изменить ток и напряжение в схеме (Кремнев В. В. , Месяц Г. А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике, с.189).

Поэтому длительность фронта импульса на нагрузке увязывается с временем зарядки генератором собственных емкостей относительно земли. Однако длительность фронта импульса на нагрузке может быть не просто меньшей, а значительно меньшей, чем время зарядки генератором емкостей относительно земли, и практически независимой от этого процесса. Кроме того, недостатком данного способа является то, что для обострения фронта импульса на нагрузке не используется малоиндуктивный емкостной накопитель на выходе генератора. Вследствие этого увеличивается длительность фронта импульса на нагрузке.

Известен генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Маркса, содержащий каскады, обладающие емкостью, соединенные между собой последовательно через разрядники, имеющие основные электроды, диэлектрик, установленный между каскадами, в котором для получения импульсов высокого напряжения с коротким фронтом разрядники размещены по краям каскадов, а их основные электроды расположены на поверхностях диэлектрика (Авт. св. СССР N 790158. Генератор импульсных напряжений /Золотых В.И., Нескородов Г.Ф. Опубл. в БИ N 47, 1980). Многоканальный характер разряда в разрядниках и расположение разрядников по краям каскадов уменьшают индуктивность генератора и обеспечивают получение на нагрузке импульсов напряжения с коротким фронтом.

Недостатком этого генератора является то, что его энергопровод не выполнен в виде длинной линии с распределенными параметрами, электрическая длина каскада (время пробега электромагнитного импульса (импульса напряжения) по энергопроводу между разрядниками k-го и (k+1)-го каскадов, k=1, 2, ..., N, k - номер каскада, N - количество каскадов) не увязана с длительностью фронта формирующегося импульса. Кроме того, время коммутации разрядников, длительность фронта импульса не увязываются с расстоянием между прямым и обратным токопроводом, с характерным временем заряда емкости между электродами разрядников. Все это не позволяет при помощи данного генератора осуществить покаскадное обострение фронта импульса напряжения, что увеличивает длительность фронта импульса на нагрузке.

Известен также генератор импульсов высокого напряжения с длительностью фронта 1,5·10^-9 с (Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике, с. 41-49). В этом генераторе использован малоиндуктивный емкостный накопитель с импульсной зарядкой, включенный на выходе генератора, и дополнительный разрядник. Диэлектриком в малоиндуктивном емкостном накопителе (конденсаторе) служил глицерин, относительная диэлектрическая проницаемость которого ε_гл.отн= 40. .

За счет известного повышения диэлектрической прочности диэлектрика при малых временах воздействия напряжения удалось значительно снизить габариты компенсирующего малоиндуктивного конденсатора и разрядной камеры, выполненной конструктивно вместе в конденсатором. Малоиндуктивный конденсатор представляет собой отрезок коаксиальной длинной линии, состоящей из двух цилиндрических обкладок с пространством, заполненным глицерином. Емкость конденсатора была равна 10^-9 Ф, а "ударная" емкость генератора 12,5 · 10^-9 Ф при напряжении 150 кВ. Внутренняя обкладка конденсатора являлась также корпусом разрядной камеры, заполненной азотом при давлении 1,6 · 10⁶ Па, в которую помещен коммутирующий разрядник. Расстояние между электродами разрядника могло регулироваться без нарушения давления в камере. Конденсатор подключен к выходу генератора через дополнительную индуктивность, что способствовало более эффективному умножению напряжения на нем.

Недостатками этого генератора являются: подключение конденсатора к выходу генератора через дополнительную индуктивность, отсутствие в генераторе энергопровода в виде длинной линии с распределенными параметрами, отсутствие увязки между электрической длиной каскада генератора и длительностью фронта формируемого импульса. Все это не позволяет достичь покаскадного обострения фронта импульса в данном генераторе, увеличивает длительность фронта импульса, падающего на коммутирующий разрядник малоиндуктивного конденсатора, а следовательно, увеличивает и длительность фронта сформированного импульса после коммутирующего разрядника, то есть на нагрузке.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к изобретению является генератор импульсных напряжений, описанный в (Кремнев В.В., Месяц Г. А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике, с. 105), а более подробно - в (Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Лучинская Л. И. , Манылов В.И., Шендрик В.Н. Моделирование работы многоступенчатого генератора Аркадьева-Маркса на ЭВМ // II Всесоюзная конференция по инженерным проблемам термоядерных реакторов: Сб. докл.-Л.: НИИЭФА, 1982, т. 3, с.160-167).

Данный генератор является двадцатикаскадным с емкостью каждого каскада 10^-7 Ф, емкостью каждого каскада относительно земли 1,5·10^-10 Ф, индуктивностью каскада 5·10^-7 Гн, зарядным напряжением каскадов 3·10⁴ В, сопротивлением нагрузки 72 Ом, ее паразитной емкостью 4,5·10^-10 Ф и индуктивностью 1,6·10^-6 Гн. Генератор собран на базе малоиндуктивного конденсатора ИМН-100-0,1 с использованием трехэлектродных разрядников и емкостной связи средних электродов с предыдущими каскадами. При помощи данного генератора получен импульс с приблизительно плоской вершиной и осуществлен режим разряда генератора, когда скорость распространения волны включения разрядников генератора совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны в искусственной линии, образованной индуктивностями каскадов и емкостями каскадов относительно земли. При этом, согласно экспериментальным данным, представленным графически, длительность фронта на нагрузке без использования малоиндуктивного конденсатора и дополнительного разрядника на выходе генератора составила не более 10^-8 c.

Недостатком данного генератора является то, что его энергопроводом является искусственная линия, образованная сосредоточенными индуктивностями каскадов и емкостями каскадов относительно земли, а не длинная линия с распределенными параметрами. Генератор обладает повышенной емкостью между электродами разрядников, что приводит к увеличенному времени нарастания на них напряжения при разряде генератора и появлению предымпульса на нагрузке. Это не позволяет осуществить способ покаскадного обострения фронта формируемого в генераторе импульса, полностью избавиться от связи длительности фронта на выходе генератора с временем зарядки генератором собственных емкостей каскадов относительно земли (электрической длиной генератора) и увязывать длительность фронта формируемого импульса только с временем коммутации одного разрядника каскада. Кроме того, этот генератор не содержит малоиндуктивного конденсатора (или отрезка длинной линии) и дополнительного разрядника на выходе генератора. Эти недостатки приводят к получению высоковольтного импульса на нагрузке с увеличенной длительностью фронта.

В основу изобретений поставлена цель создания способа генерирования высоковольтных импульсов и устройства для его осуществления, в которых более короткая длительность фронта импульса на нагрузке достигается покаскадным обострением фронта импульса в энергопроводе генератора Маркса, представляющем собой широкополосную однородную длинную линию с распределенными параметрами, состоящую из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, и дополнительным полным обострением фронта импульса при помощи выходного отрезка энергопровода и выходного разрядника. При этом длительность фронта импульса на нагрузке на зависит от электрической длины генератора Маркса, от времени зарядки его емкостей относительно земли.

Указанная задача решается тем, что в способе генерирования высоковольтных импульсов при помощи генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Маркса, содержащего N каскадов, энергопровод, нагрузку, емкостные накопители каскадов, разрядники каскадов и стартовый разрядник, устройство запуска, при котором емкости накопителей выбирают так, чтобы после срабатывания разрядников генератора обеспечить начало спада импульсного напряжения на нагрузке сразу после нарастания напряжения на ней до величины ,
где
U_осн - напряжение, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов;
z_н - импеданс нагрузки;
z_э.х - характеристическое сопротивление энергопровода;
L - индуктивность каскадов;
C - емкость каскадов относительно земли, за счет разряда емкостных накопителей каскадов на энергопровод и нагрузку.

В соответствии с изобретением, энергопровод представляет собой широкополосную однородную длинную линию с распределенными параметрами, состоящую из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, генератор дополнительно содержит широкополосную однородную длинную линию передачи между устройством запуска и стартовым разрядником, на стартовый разрядник от устройства запуска по линии передачи подают инициирующий разряд генератора импульс напряжения с амплитудой U_иин, удовлетворяющей неравенству
U_иин ≥ 3 · U_ст (3)
где
U_ст - статическое пробивное напряжение стартового разрядника, и длительностью фронта
t_ф.иин ≅ 10^-9 с, (4)
в результате чего стартовый разрядник срабатывает, затем формирующийся импульс напряжения по энергопроводу последовательно подают на разрядники каскадов, начиная с первого, которые последовательно срабатывают, обеспечивая последовательное покаскадное обострение фронта формирующегося в энергопроводе импульса, что выражается следующими соотношениями:
t_ф.N ≅ t_ф.k. ≅ t_ф.(k-1) < t_ф.иин, (5)
t_ф.0 = t_ком.0, (6)
t_ком.(k+1) ≅ t_ком.k,(7)
t_ком.k ≅ t_ф.k ≅ t_ком.0, (8)
t_ф.N = t_ком.N, (9)
k = 1,2,...,N-1, (10)
A_k = A_k-1 + U_осн/2, (11)
,
,
где
k - номер каскада;
t_ф.k. - длительность фронта формирующегося в энергопроводе импульса напряжения после срабатывания разрядника k-го каскада;
t_ф.0 - длительность фронта импульса напряжения после срабатывания стартового разрядника;
t_ф.N - длительность фронта импульса на нагрузке;
t_ком.0 - время коммутации стартового разрядника;
t_ком.k - время коммутации разрядника k-го каскада;
t_ком.N - время коммутации разрядника N-го каскада на нагрузку;
A_k - амплитуда формирующегося импульса после k-го каскада;
A_N - амплитуда импульса после N-го каскада (на нагрузке);
A₀ - амплитуда формирующегося импульса после стартового разрядника;
z_э - волновое сопротивление энергопровода.

Указанная задача решается также тем, что в генераторе импульсных напряжений, собранном по схеме Маркса, содержащем N каскадов, энергопровод, состоящий из прямого и обратного токопроводов, емкостные накопители каскадов, разрядники каскадов и стартовый разрядник, устройство запуска, нагрузку, в соответствии с изобретением генератор дополнительно содержит широкополосную однородную длинную линию передачи между устройством запуска и стартовым разрядником, энергопровод выполнен в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами, состоящей из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, причем каждый из отрезков содержит в прямом токопроводе разрыв, емкостный накопитель каскада, включенный в разрыв прямого токопровода, при этом выполняются соотношения:
,
k = 1,2,...,N, (15)
t_ф.(k-1) ≅ 2 · t_{проб(k-1)}, (16)
5 · t_проб.n ≥ (2,5 · t_ф.иин, 2 · z_н · C_k) ≥ 2,5 · t_ф.k., (17)
2 · z_э · C_р.k. ≅ t_ф.k./2,5, (18)
2 · z_э · C_р.0 ≅ t_ф.0/2,5, (19)
,
где
k - номер каскада;
h_э - расстояние между прямым и обратным токопроводами;
с₀ - скорость света в вакууме;
t_ком.k - время коммутации разрядника к-го каскада;
ε_r.э - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
t_ф.k. - длительность фронта электромагнитного импульса после срабатывания разрядника k-го каскада;
t_{проб(k-1)} - время пробега электромагнитного импульса по энергопроводу между разрядниками (k-1)-го и k-го каскадов;
t_проб.n - время пробега электромагнитного импульса (импульса напряжения) по линии передачи между устройством запуска и стартовым разрядником;
t_ф.иин - длительность фронта импульса от устройства запуска;
t_ф.0 - длительность фронта импульса после срабатывания стартового разрядника;
z_э - волновое сопротивление энергопровода, равное волновому сопротивлению линии передачи между устройством запуска и стартовым разрядником;
C_k - емкость накопителя k-го каскада;
C_р.k - емкость между электродами разрядника k-го каскада;
C_р.0 - емкость между электродами стартового разрядника;
h_c - длина разрыва в прямом токопроводе, в который (разрыв) включен емкостной накопитель k-го каскада;
ε_r.с - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в емкостном накопителе k-го каскада.

Энергопровод, представляющий собой в данной группе изобретений широкополосную однородную длинную линию с распределенными параметрами, состоящую из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, позволяет достичь неискаженной передачи импульсов с длительностью фронта менее 10^-9 с, т.е. достичь его (энергопровода) сверхширокополостности при передаче импульсов с короткими фронтами, открывает возможность избавиться от зависимости минимальной длительности фронта импульса напряжения от электрической длины генератора Маркса, от времени заряда емкостей генератора относительно земли. Действительно, если энергопровод генератора Маркса представляет собой искусственную длинную линию, образованную сосредоточенными емкостями и индуктивностями, что имеет место в прототипах для изобретения-способа и изобретения-устройства, то обязательно существует конечное время зарядки каждой отдельной сосредоточенной емкости относительно земли. Это приводит к ограничению уменьшения длительности (обострения) фронта импульса временем зарядки отдельной сосредоточенной емкости каскада относительно земли через сосредоточенную индуктивность. В энергопроводе в виде однородной линии с распределенными параметрами зарядка распределенной емкости осуществляется в процессе распространения электромагнитной волны (электромагнитного импульса) по энергопроводу со скоростью .

На стартовый разрядник от устройства запуска подают инициирующий разряд генератора импульс напряжения с амплитудой, удовлетворяющей неравенству (3): U_иин≥ 3 · U_ст и длительностью фронта t_ф.иин < 10^-9 с. (4), что обеспечивает коммутацию стартового разрядника за время менее 10^-9 с, поскольку трехкратное и большее перенапряжение для этого достаточно при длительности фронта импульса, падающего на стартовый разрядник, t_ф.иин ≅ 10^-9 с. При этом следует учесть, что на электродах разрядника напряжение удваивается из-за появления волны, отраженной от разрядника; кроме того, необходимо учесть, что за счет предварительной зарядки на стартовом разряднике и разрядниках каскадов уже "дежурит" зарядное напряжение U_осн, арифметически складывающееся с напряжением U_иин. Это увеличивает крутизну нарастания напряжения, что обеспечивает дополнительное перенапряжение и уменьшение времени коммутации, и следовательно, уменьшение длительности фронта формируемого импульса. Длительность фронта формирующего импульса после стартового разрядника равна времени коммутации стартового разрядника: t_ф.0 = t_ком.0 (6). Это обеспечивается за счет выбора параметров импульса напряжения, инициирующего разряд генератора, удовлетворяющих соотношениям (3) и (4): U_иин ≥ 3 · U_ст, t_ф.иин ≅ 10^-9 с, и за счет того, что энергопровод генератора представляет собой широкополосную длинную линию с распределенными параметрами.

Последовательная подача формирующегося импульса напряжения по энергопроводу на разрядники каскадов, начиная с первого, обеспечивает максимальное перенапряжение и минимальное время коммутации на разрядниках каскадов, а также минимизацию или предотвращение появления предымпульса на нагрузке (предымпульс - импульс, появляющийся на нагрузке до срабатывания всех разрядников каскадов). Это, в совокупности с тем, что энергопровод выполнен в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами, и тем, что выполняются соотношения: U_иин ≥ 3 · U_ст, t_ф.иин ≥ 10^-9 с, приводит к последовательному покаскадному обострению фронта формирующегося в энергопроводе импульса.

Покаскадное обострение фронта импульса выражается рядом математических соотношений для временных и амплитудных характеристик формирующегося в энергопроводе импульса.

Соотношение (7): t_ком.(k+1) ≅ t_ком.k показывает, что время коммутации разрядника данного (k-го) каскада больше, чем у разрядника следующего каскада. Уменьшение времени коммутации разрядников с ростом номера каскада достигается за счет коммутационных характеристик разрядников при последовательной подаче на них формирующегося импульса напряжения и за счет выполнения энергопровода генератора в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами, без сосредоточенных паразитных индуктивностей и емкостей.

Соотношения (8): t_ком.k ≅ t_ф.k ≅ t_ком.0 показывают связь между временем коммутации t_ком.k и t_ком.0 и длительностью фронта t_ф.k формирующегося импульса, поскольку t_ф.k при покаскадном обострении фронта импульсов зависит только от времени коммутации разрядников и не зависит от времени заряда емкостей каскадов относительно земли, от электрической длины энергопровода генератора. Такая независимость t_ф.k имеет место благодаря тому, что энергопровод представляет собой широкополосную однородную длинную линию с распределенными параметрами, и тому, что формирующийся импульс напряжения по энергопроводу последовательно подают на разрядники каскадов. При этом до того как сработает разрядник данного каскада, формирующийся импульс напряжения на разрядник следующего каскада не попадает, и этот разрядник продолжает находиться в исходном "дежурном" состоянии с напряжением U_осн на нем. Длительность t_ф.k (k = 1,2,...,N) фронта удовлетворяет неравенству t_ф.k ≅ t_ком.0, поскольку на стартовом разряднике обеспечивается полное обострение фронта импульса. С другой стороны в (8) t_ком.k ≅ t_ф.k, поскольку на данном (k-м) каскаде разрядник может не обеспечить полное обострение фронта импульса, в результате происходит частичное обострение фронта формирующегося импульса.

Соотношения (5): t_ф.N ≅ t_ф.k ≅ t_ф.(k-1) непосредственно показывают покаскадное обострение фронта формирующегося импульса, которое обеспечивается уменьшением (или, по крайней мере, неувеличением) времени коммутации разрядников, начиная со стартового, с ростом номера каскада.

Соотношение (9): t_ф.N = t_ком.N показывает, что длительность фронта импульса на нагрузке равна времени коммутации разрядника N-го каскада на нагрузку. Равенство t_ф.N и t_ком.N достигается за счет того, что разрядник N-го каскада обеспечивает полное обострение фронта формируемого импульса. При этом следует учесть, что в отличие от остальных разрядников на разряднике N-го каскада нет напряжения U_осн, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов, вследствие того, что разрядник N-го каскада соединяет низковольтный (незаряженный) до прихода по энергопроводу формирующегося импульса напряжения вывод емкостного накопителя N-го каскада с нагрузкой.

Принципиальным отличием данного изобретения от известного способа обострения фронта на выходе генератора Маркса за счет импульсной зарядки малоиндуктивного емкостного накопителя и срабатывания дополнительного разрядника, соединяющего этот емкостной накопитель с нагрузкой, является то, что за счет покаскадного обострения фронта импульсов и выполнения малоиндуктивного накопителя в виде части энергопровода, представляющей собой широкополосную однородную длинную линию с распределенными параметрами, длительность фронта импульса, падающего на разрядник N-го каскада (соответствующий дополнительному разряднику в известном способе) и длительность фронта импульса на нагрузке уменьшаются до величин, недостижимых в известном способе.

Соотношения
A_k = A_k-1 + U_осн/2, (11)
,
представляют амплитудные характеристики формирующегося импульса в зависимости от номера K каскада, а также начальную амплитуду A₀ после стартового разрядника и амплитуду A_N импульса на нагрузке. Начальная амплитуда A₀ равна сумме амплитуды импульса напряжения U_иин от устройства запуска и половине амплитуды напряжения U_осн, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов, поскольку волновое сопротивление широкополосной однородной линии передачи выполнено равным волновому сопротивлению энергопровода. Наличие широкополосной однородной линии передачи позволяет увеличить степень перенапряжения на стартовом разряднике при данной амплитуде U_иин импульса напряжения от устройства запуска за счет удвоения напряжения U_иин из-за появления волны, отраженной от стартового разрядника до начала его коммутации. Это приводит к уменьшению времени стартового разрядника и, следовательно, к уменьшению длительности фронта t_ф.0 формирующегося импульса после срабатывания стартового разрядника и, в конечном итоге, к уменьшению длительности фронта t_ф.N импульса на нагрузке.

Амплитуда A_k формирующегося импульса напряжения после данного (k-го) каскада на U_осн/2 больше амплитуды A_k-1 на предыдущем каскаде, поскольку энергопровод представляет собой широкополосную однородную линию с распределенными параметрами, состоящую из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, и поскольку формирующийся импульс напряжения по энергопроводу последовательно подают на разрядники каскадов, начиная с первого. При этом все напряжение A_k прикладывается к разряднику (k+1)-го каскада до его срабатывания без распределения A_k между всеми, не сработавшими разрядниками каскадов с номерами, большими, чем "k".

Амплитуда A_N импульса на нагрузке зависит от соотношения волнового сопротивления z_э энергопровода и импеданса z_н нагрузки. Чем больше отношение z_н/(z_н+z_э), чем ближе оно к максимуму, равному единице, тем ближе к максимуму A_N, равному A_{N max}=2·A_N-1. В случае z_э=z_н, A_N=A_N-1.

Для того, чтобы энергия, предварительно запасенная в емкостных накопителях каскадов и энергопроводе, и энергия импульса от устройства запуска выделились преимущественно на нагрузке генератора, должно выполняться условие R_н>R_ост, где R_н - активное сопротивление нагрузки, R_ост - активное сопротивление остальной части разрядной цепи без потерь в диэлектрике длинных линий (энергопроводе и линии передачи).

Амплитудные характеристики формирующегося в энергопроводе импульса при последовательном покаскадном обострении его фронта, согласно данному изобретению, обеспечивают покаскадный равномерный прирост амплитуды, начиная с амплитуды A₀ после срабатывания стартового разрядника и до нагрузки.

Заявителям неизвестны примеры использования в генераторах импульсов напряжений, собранных по схеме Маркса, покаскадного обострения фронта импульсов, когда при покаскадном увеличении амплитуды формирующегося в энергопроводе импульса длительность его фронта не превышает времени коммутации стартового разрядника при, по крайней мере, трехкратном перенапряжении последнего и может быть равной времени коммутации разрядника данного каскада, когда сформированный импульс с наибольшей амплитудой и наименьшим фронтом попадает по части последнего (N-го) отрезка энергопровода, расположенной после накопителя последнего (N-го) каскада и представляющей собой предварительно незаряженный накопитель энергии в виде отрезка длиной линии с распределенными параметрами, на разрядник последнего (N-го) каскада, предназначенный для коммутации сформированного импульса на нагрузку, вследствие чего достигается минимальное время коммутации этого разрядника, происходит полное обострение фронта поданного импульса, и обеспечивается получение длительности фронта импульса на нагрузке, равной времени коммутации разрядника последнего (N-го) каскада.

Способ, как единство признаков, порождает целостный эффект, не возникающий при действии каждого из признаков в других совокупностях.

Согласно изобретению из данной группы изобретений, посвященному генератору Маркса для осуществления предложенного способа генерирования высоковольтных импульсов, расстояние h_э между прямым и обратным токопроводами удовлетворяет соотношению

Это позволяет увеличить широкополосность энергопровода, поскольку наибольшие критические длины волн в нем

определяются временем коммутации разрядника k-го каскада, а расстояние h_э выбрано не большим любой из (λ_max.k) наибольших критических длин волн. При этом учтено, что возбудителем волн высших типов является сам энергопровод генератора.

Заявителям неизвестны примеры выполнения энергопровода генератора Маркса, в котором расстояние h_э удовлетворяло бы соотношению (14). Более того, заявителям неизвестны примеры выполнения длинных линий с T-волной, в которых для расстояния h_э между прямым и обратным токопроводом выполняется соотношение (14).

Выполнение соотношения (16): t_ф.(k-1)≅2t_{проб(k-1)} позволяет в генераторе согласно данному изобретению получить длительность t_ф.(k-1) фронта формирующего импульса, не зависящую от влияния отраженной волны от еще не сработавшего разрядника соседнего k-го каскада. Это приводит к укорочению длительности фронта t_ф.k..

Заявителям известно применение условия (16) для высоковольтных формирующих коаксиальных линий (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - М: Энергоатомиздат, 1991). Однако заявителям неизвестно применение условия (16) для энергопроводов генераторов Маркса.

Соотношения (17) показывают, что согласно изобретению, длительность t_ф.k. фронта формируемого импульса существенно меньше (по крайней мере в 2,5 раза) постоянной времени разряда емкости C_k накопителя k-го каскада на энергопровод. Выполнение емкостей накопителей и энергопровода, удовлетворяющими соотношениям (17), приводит к тому, что емкость C_k не успевает существенно разрядиться за время фронта t_ф.k., к увеличению амплитуды формирующегося импульса, скорости нарастания напряжения на разрядниках каскадов и, в конечном итоге, к уменьшению длительности фронта импульсов на нагрузке.

Кроме того, выполнение в (17) неравенства 2·z_э·C_k≅5·t_проб.n позволяет избежать возможного медленного нарастания напряжения на нагрузке сверх амплитуды по (13) из-за существенного разряда емкостей каскадов, компенсирующего такое медленное нарастание, которое может возникнуть из-за отражений от устройства запуска.

Выполнение в (17) неравенства 2,5·t_ф.иин≅5·t_проб.n обеспечивает отсутствие наложения импульса, возникающего в результате отражения импульса устройства запуска от стартового разрядника, а затем от устройства запуска, на фронт формирующегося импульса при срабатывании стартового разрядника.

Соотношения (18) и (19) демонстрируют, что постоянная времени заряда емкостей между электродами разрядника k-го каскада и электродами стартового разрядника существенно меньше длительности фронта импульса. Выполнение энергопровода и разрядников каскадов и стартового с характеристиками, удовлетворяющими неравенствам (18) и (19), обеспечивает минимизацию предымпульса на нагрузке, получение максимальной скорости нарастания импульсного напряжения и увеличение степени перенапряжения на каждом разряднике каскадов и стартовом.

Выполнение длины h_с каждого из разрывов в прямом токопроводе, куда подключены емкостные накопители каждого каскада, удовлетворяющей неравенству (20), позволяет минимизировать неоднородности в энергопроводе, приводящие к уменьшению его широкополосности. При этом относительные диэлектрические проницаемости диэлектриков в емкостных накопителях каскадов и энергопроводе могут быть одинаковыми.

Заявителям неизвестны примеры конструктивного выполнения генератора Маркса, аналогичные описанному в данном изобретении (в части энергопровода и расстояния между разрядниками соседних каскадов, соответствующего времени пробега электромагнитного импульса между этими разрядниками).

Описанное выполнение генератора Маркса обеспечивает получение нового эффекта - покаскадного обострения фронта электромагнитных импульсов и получение на данной нагрузке импульсов с минимальным (пикосекундным) фронтом и максимальной амплитудой (несколько мегавольт и более), что недостижимо при помощи известных устройств и способов. Этот новый эффект отличен от эффекта, обусловленного другими совокупностями признаков, и характерен для предлагаемого устройства в целом.

Из изложенного следует, что предложенные изобретения-способ и устройство (генератор Маркса) удовлетворяют требованиям к изобретениям, объединенным в группу, поскольку связаны между собой единым общим изобретательским замыслом. Предложенное устройство предназначено для осуществления предложенного способа. При этом каждое из двух объединенных технических решений является изобретением, обладая всеми качествами охраноспособного изобретения, и эти технические решения не являются двумя объектами одного изобретения.

На фиг.1 дано схематическое изображение устройства - разрядной цепи генератора Маркса для осуществления предложенного способа; на фиг.2 - вариант процесса формирования импульса напряжения при покаскадном обострении фронта импульса в энергопроводе генератора в случае согласованной нагрузки; на фиг. 3 - вариант импульсов, возникающих при срабатывании разрядников каскадов и стартового и распространяющихся в сторону устройства запуска.

Осуществление способа производится при помощи устройства-генератора Маркса, содержащего N каскадов, емкостные накопители 1 каскадов с емкостями C_k, которые могут представлять собой длинные линии с распределенными параметрами, энергопровод 2 в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами с волновым сопротивлением z_э, с расстоянием h_э между прямым и обратным токопроводами энергопровода, диэлектрической проницаемостью ε_r.э диэлектрика (газообразного, жидкого или твердого), заполняющего энергопровод, разрядники 3 каскадов с емкостями 4 (C_р.k.) между электродами разрядников и стартовый разрядник 5 с емкостью 6 (C_р.0) между его электродами, устройство 7 запуска, широкополосную однородную длинную линию 8 передачи с волновым сопротивлением z_п= z_э между устройством 7 запуска и стартовым разрядником 5, нагрузку 9 с импедансом z_н. Энергопровод 2 состоит из N отрезков, соединенных разрядниками 3 каскадов, причем каждый из отрезков содержит в прямом токопроводе энергопровода разрыв длиной h_с, в который включен емкостной накопитель 1 каскада.

Согласно предлагаемой группе изобретений разрядная цепь генератора Маркса представляет собой длинную однородную широкополосную линию 2 с распределенными параметрами (энергопровод), в прямой токопровод которой поочередно включены разрядники 3, 5 и емкостные накопители 1 (см. фиг.1), ко входу которой через передающую линию 8 подключено устройство 7 запуска, а к выходу - нагрузка 9. На фиг.2 представлен вариант формирующегося в энергопроводе 2 импульса напряжения в моменты времени, когда его амплитуда проходит через разрядники генератора Маркса. Стрелками указано направление распространения формирующегося импульса (к нагрузке). То, что амплитуда формирующегося импульса после срабатывания разрядников (N-1)-го каскада (момент времени (N-1)·t_проб.0) и N-го каскада (момент времени N≅t_проб.0) одинакова, указывает на то что, нагрузка согласована, то есть сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению энергопровода 2 (z_н=z_э). Представленный вариант характеризуется тем, что время пробега электромагнитного импульса по энергопроводу 2 между разрядниками соседних (смежных) каскадов выбрано одинаковым для любых двух смежных каскадов и равным времени пробега между стартовым разрядником 5 и разрядником 3 первого каскада (t_{проб(k-1)}=t_проб.0.

На фиг.3 представлен вариант импульсов, возникающих при последовательном срабатывании разрядников каскадов и стартового, начиная со стартового, и распространяющихся в сторону устройства 7 запуска. Стрелками указано направление распространения импульсов (к устройству 7 запуска). Этот вариант характеризуется тем, что он соответствует варианту формирующегося импульса, представленного на фиг.2. Импульсы с полярностью, совпадающей с полярностью формирующегося импульса, представляют собой отраженные от разрядников 5 и 3 импульсы, а импульсы противоположной полярности - это импульсы, возникающие в результате разряда предварительно заряженных емкостных накопителей 1 и участков энергопровода (на фиг. 1 заштрихованы) после последовательного срабатывания разрядников, начиная со стартового, и распространяющиеся к устройству 7 запуска.

На фиг.1 и фиг.3 : A - амплитуда импульса напряжения, t - время.

Расстояние h_э выбрано удовлетворяющим неравенству (14), чтобы избежать появления нежелательных волн высших типов в энергопроводе 2 с длинами волн, превышающими максимально допустимую длину волны

пропорциональную времени коммутации t_ком.k., и предельно увеличить широкополосность энергопровода. Для того, чтобы энергопровод выдерживал высокие напряжения и напряженности электрического поля, он заполнен высокопрочным диэлектриком: жидким, твердым, газообразным. Несоблюдение неравенства (14) приведет к уменьшению широкополосности, которая будет определяться временем пробега электромагнитной волны между прямым и обратным токопроводами энергопровода генератора Маркса, превышающем в этом случае время коммутации разрядника. Уменьшение широкополосности энергопровода приведет к увеличению длительности t_ф.N фронта импульса на нагрузке.

Невыполнение неравенства (16) приведет к появлению нежелательных отражений на данном разряднике в процессе его коммутации от еще не сработавшего соседнего до того, как фронт импульса после данного разрядника сформировался. Это, в свою очередь, приведет к удлинению фронта формируемого импульса и увеличению длительности фронта импульса на нагрузке.

Невыполнение неравенства (17) ведет к уменьшению амплитуды импульса напряжения на нагрузке, увеличению длительности его фронта и появлению нежелательных отражений от устройства 7 запуска, которые могут привести к медленному нарастанию амплитуды импульса на нагрузке, если 5·t_проб.n≥2·z_э·C_k, а внутреннее сопротивление устройства запуска меньше волнового сопротивления z_п=z_э линии передачи и энергопровода.

Невыполнение неравенств (18), (19) ведет к появлению предымпульса, уменьшению скорости нарастания напряжения и степени перенапряжения на каждом разряднике, что удлиняет фронт импульса на нагрузке.

Невыполнение неравенства (20) ведет к увеличению неоднородностей в энергопроводе, приводящих к уменьшению его широкополосности и увеличению длительности фронта на нагрузке.

Способ реализуется следующим образом. Предварительно емкостные накопители 1 каскадов генератора Маркса заряжают до напряжения U_осн. Зарядка может быть импульсной. Участки энергопровода 2 и емкостные накопители 1, которые предварительно заряжают, на фиг.1 заштрихованы. Следует отметить, что после предварительной зарядки единственным разрядником, на котором отсутствует "дежурное" напряжение U_осн, является разрядник последнего N-го каскада. Вследствие этого межэлектродный зазор разрядника устанавливают минимально допустимым для получения минимальной длительности фронта импульса на нагрузке 9. После предварительной зарядки накопителей 1 от устройства 7 запуска на стартовый разрядник 5 по линии 8 передачи подают инициирующий разряд генератора импульс напряжения, удовлетворяющий неравенствам (3) и (4). Величины напряжений U_осн и U_ст, например, могут быть выбраны U_осн=80000 В, U_ст=100000 В. Импульс, инициирующий разряд генератора Маркса и удовлетворяющий неравенствам (3) и (4), является вполне реальным (см., например, Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике, с. 49). В результате этого срабатывает стартовый разрядник с временем коммутации t_ком.0<t≅10^-9 с (см. соотношения (4) и (5), обеспечивая полное обострение фронта формируемого импульса (см. (6)).

Действительно, при не менее, чем трехкратном перенапряжении и выполнении (4) время запаздывания срабатывания стартового разрядника примерно равно длительности t_ф.иин фронта инициирующего импульса напряжения, а время коммутации стартового разрядника t_ком.0<10 с. При этом следует учитывать, что из-за подачи на стартовый разрядник 5 инициирующего импульса по длинной линии 8 передачи происходит удвоение его амплитуды на разряднике 5 и отражение в сторону устройства запуска до окончания срабатывания стартового разрядника, поскольку выполняется соотношение (19), что на разряднике 5 "дежурит" напряжение U_осн, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов, и что полярности инициирующего напряжения U_иин и "дежурящего" U_осн таковы, что эти напряжения при коммутации разрядника 5 арифметически складываются, и импульс с амплитудой, удовлетворяющей 12, распространяется к нагрузке (см. фиг.2). В то же время при коммутации разрядника 5 в сторону устройства запуска начинает распространяться импульс обратной полярности с амплитудой U_осн/2 от емкостного накопителя C1. Время коммутации t_ком.k стартового разрядника и разрядников каскадов определяется соотношениями:
,
,
n= n_ж= 230·100^1/3 - для твердых диэлектриков (25) с плотностью, примерно равной 1000 кг/м³,
где k=0, 1, 2, 3,...,N;
k=0 - соответствует стартовому разряднику;
t_ком.k - время коммутации разрядника, с;
τ_R.к - резистивная составляющая постоянной времени коммутации, с;
τ_L.к - индуктивная составляющая постоянной времени коммутации, с;
n - постоянная, характеризующая тип диэлектрика в разрядном промежутке, B^4/3 с Ом^1/3м^-5/3;
M_к - число искровых каналов при разряде;
Z_к - суммарное волновое сопротивление отрезков длинных линий, примыкающих к разряднику, Ом;
E_к - напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке разрядника в момент пробоя, В/м;
l_к - длина разрядного промежутка, м;
L_к - индуктивность искрового канала, Гн;
ρ - плотность используемого газа;
ρ₀ - плотность воздуха при нормальных условиях (температуре и давлении).

Наиболее сильно резистивная составляющая времени коммутации зависит от пробивной напряженности E_к. Время коммутации уменьшается с увеличением числа искровых каналов при разряде. Большую часть времени коммутации при быстрой (низкоиндуктивной) коммутации, имеющей место в предлагаемой группе изобретений, занимает резистивная составляющая. Число искровых каналов M_к при разряде пропорционально скорости нарастания (крутизне) формирующего импульса. Крутизна напряжения на стартовом разряднике, например:

Крутизны вполне достаточно для многоканального разряда и получения времени коммутации существенно меньше 10^-9 с. Поэтому в данной группе изобретений необходимо выполнение (3) и (4), и многоканальный разряд возможен во всех разрядниках, начиная со стартового разрядника. Амплитуда A₀ формирующегося импульса после коммутации стартового разрядника удовлетворяет соотношению (12), поскольку волновое сопротивление z_п линии 8 равно волновому сопротивлению z_э энергопровода 2. При этом амплитуда U_иин инициирующего импульса полностью используется для увеличения амплитуды формирующегося импульса и крутизны его нарастания, что отличает предлагаемые способ генерирования и устройство от широко известных способов и устройств.

После срабатывания стартового разрядника 5 начинается формирование импульса напряжения в энергопроводе 2 с покаскадным обострением фронта и увеличением амплитуды (см. (5)-(13)). При этом, когда фронт формирующегося импульса приходит на емкостной накопитель 1 первого каскада, он (накопитель 1) начинает разряжаться: от него по энергопроводу 2 в сторону нагрузки 9 распространяется импульс данной полярности с амплитудой U_осн/2, входящий составной частью в формирующийся импульс, а в сторону устройства 7 запуска распространяется такой же импульс, но противоположной полярности.

Аналогично происходит разряд каждого емкостного накопителя 1 каскадов, начинающийся в момент прихода фронта формирующегося импульса на емкостной накопитель 1 данного (k-го) каскада.

Затем формирующийся импульс напряжения с амплитудой, удовлетворяющей (12) и (11), по энергопроводу 2 без искажений последовательно подают на разрядники каскадов, начиная с первого. Последовательность подачи обеспечивается тем, что связь между каскадами осуществляется только через энергопровод 2, дополнительных связей нет, и поэтому разрядник данного каскада не может сработать раньше или одновременно с разрядниками предыдущих каскадов, а срабатывает, когда формирующийся импульс по энергопроводу 2 дойдет до него от разрядника соседнего предыдущего каскада. При этом, благодаря выполнению соотношения (18), предымпульс минимален, и все напряжения A_O формирующегося импульса прикладывается к разряднику первого каскада, удваиваясь и складываясь с "дежурящим" на нем напряжением U_осн, до начала его коммутации. Коммутация разрядника первого каскада происходит при большем на U_осн перенапряжении, чем стартового, из-за того, что 2·A₀=2·U_мин+U_осн (см.(12)).

По этой же причине величина перенапряжения на каждом последующем разряднике, кроме последнего (N-го), на U_осн больше, чем на предыдущем. Поэтому время коммутации разрядника первого каскада меньше, чем стартового, а далее время коммутации каждого последующего разрядника меньше, чем предыдущего (см. соотношения (7), (21)-(25)). При этом за счет "дежурного" напряжения на каждом каскаде и каждом разряднике (кроме последнего разрядника - разрядника N-го каскада) амплитуда A_k формирующегося импульса от каскада к каскаду увеличивается (см. (11)). Этим процесс покаскадного обострения в генераторе Маркса существенно отличается от традиционного процесса обострения фронта импульса в длинных линиях. А поскольку энергопровод 2 является широкополосным, не искажающим длительность фронта формирующегося импульса и время коммутации разрядника каждого каскада (см. (14), (20)), то удается покаскадно увеличивать амплитуду импульса при уменьшении длительности фронта формируемого импульса (см. (5) и (11). Поскольку процесс покаскадного обострения фронта импульсов начинается с длительности t_ф.иин≅10^-9 с (4) фронта инициирующего импульса не более одной наносекунды, постольку процесс покаскадного обострения может обеспечить пикосекундную длительность фронта импульсов на нагрузке.

Какое обострение фронта импульса происходит на разряднике данного каскада (полное или частичное), определяется зависимостью времени запаздывания разряда от приложенного напряжения и от напряженности поля в разрядном промежутке.

Если разрядники каскадов одинаковы, то с увеличением номера каскада и, соответственно, степени перенапряжения и напряженности поля на разряднике 3 данного каскада по сравнению с предыдущими время запаздывания разряда на нем может оказаться меньше, чем длительность фронта падающего на него импульса напряжения. В результате этого коммутация разрядника 3 начнется до того, как падающий на него импульс напряжения достигнет своей амплитуды, то есть произойдет частичное (не полное) обострение фронта этого импульса (см. Техника высоких напряжений. Под ред. Д.В.Разевига. -М.: Энергия, 1976, с.35; Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. -М: Сов. радио, с. 19, 92-96). Это обстоятельство отображают соотношения (8). Соотношение (6) показывает, что на стартовом разряднике 5 происходит полное обострение фронта импульса. Именно в результате частичного обострения длительность фронта импульса после срабатывания разрядника k-го каскада может быть больше, чем время коммутации этого разрядника.

С момента прихода формирующегося импульса на каждый из разрядников 3 каскадов данный (k-й) разрядник 3 включается в переходный процесс (см. фиг.2 и фиг.3), который заключается в том, что до начала коммутации разрядника от него как от разомкнутого конца в сторону устройства запуска отражается волна (импульс) с максимальной амплитудой A_(k-1). С началом коммутации начинается распространение к нагрузке от данного разрядника формирующегося импульса данной полярности с амплитудой A_k, удовлетворяющей (11) или (13), а к устройству запуска - импульс разряда от заряженного участка энергопровода 2 и емкостного накопителя каскада с емкостью C_k амплитудой U_осн/2 противоположной полярности при 1≅k<N или отраженного от нагрузки импульса при k=N. По окончании коммутации данного разрядника, если это не разрядник последнего N-го каскада, заканчивается отражение от него падающей со стороны предыдущего разрядника волны, так как энергопровод в месте расположения данного разрядника уже не содержит неоднородностей. Если же это разрядник последнего N-го каскада, то по окончании его коммутации будет протекать процесс отражения сформированного импульса от нагрузки во всех случаях, кроме случая, когда нагрузка согласована с энергопроводом, т.е. z_э=z_н.

После прохождения энергопровода 2 при последовательном срабатывании разрядников 3 формирующийся импульс напряжения попадает на разрядник последнего n-го каскада, на котором в отличие от всех остальных разрядников, нет "дежурящего" напряжения. Этот разрядник срабатывает с минимальным временем коммутации в многоканальном режиме и обеспечивает на нагрузке минимальную длительность фронта при полном обострении фронта падающего на разрядник импульса (см. (8), (5), (9)) и величину амплитуды, удовлетворяющую (13).

Отсутствие "дежурящего" напряжения позволяет минимизировать межэлектродный промежуток в разряднике 3 N-го каскада при равенстве времени запаздывания разряда разрядника N-го каскада и длительности фронта падающего на этот разрядник 3 импульса, имеющего максимальную амплитуду A_(N-1) и крутизну нарастания. Это обеспечивает минимальное время t_ком.N коммутации, минимальную (пикосекундную) длительность t_ф.N фронта импульса на нагрузке 9 при соблюдении равенства (9) и соотношения (13), согласно которому, а также согласно (11) и (12), амплитуда A_N импульса напряжения на нагрузке при N≥20 может составлять несколько мегавольт.

Начало спада импульсного напряжения на нагрузке генератора сразу после нарастания напряжения на ней величины A_N, удовлетворяющей (13), обеспечивается тем, что устройство 7 запуска, от которого возможны отражения, отдельно от стартового разрядника 5 линией передачи 8, время пробега по которой удовлетворяет соотношениям (17). Процесс разряда заканчивается после того, как вся энергия, предварительно занесенная в емкостных накопителях 1 каскадов и энергопроводе и энергия импульса от устройства 7 запуска полностью выделится при нагрузке генератора и остальных активных сопротивлениях разрядной цепи - внутреннем сопротивлении устройства запуска и активных сопротивлениях искровых разрядных каналов.

Генератор с амплитудой в несколько мегавольт и числом каскадов N>20 может быть малогабаритным - по длине не превышать 2 м, в поперечных размерах не превышать 0,4 м при расстоянии между прямым и обратным токопроводами энергопровода 2 меньше одного сантиметра.

Согласно предложенной группе изобретений генератор Маркса может иметь различную конструкцию, например, плоскую, полосковую или коаксиальную.

Из предложенных изобретений следует, что нет принципиальных ограничений по уменьшению длительности фронта импульса на нагрузке 9, а ограничение по увеличению амплитуды импульса на нагрузке существует только из-за потерь энергии на активных сопротивлениях искровых разрядных промежутков в разрядниках 3 и 5 при выполнении энергопровода 2 без потерь.

Использование предлагаемого способа генерирования высоковольтных импульсов и устройства для его осуществления позволяет по сравнению с существующими уменьшить длительность фронта импульсов по крайней мере до 10^-10 с при амплитудах импульсов мегавольтного диапазона.

Таким образом в данной группе изобретений обеспечивается решение поставленной задачи.

Формула изобретения

1. Способ генерирования высоковольтных импульсов при помощи генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Маркса, заключающийся в формировании импульсного напряжения на нагрузке с началом спада после нарастания напряжения на ней до величины


где U_осн - напряжение, до которого предварительно заряжены емкостные накопители каскадов;
Z_н - импеданс нагрузки;
Z_э.х - характеристическое сопротивление энергопровода генератора;
L - индуктивность каскадов;
С - емкость каскадов относительно земли,
за счет разряда емкостных накопителей каскадов на энергопровод и нагрузку, отличающийся тем, что на стартовый разрядник подают инициирующий разряд генератора и импульс напряжения с амплитудой U_и.и.н, удовлетворяющей неравенству
U_и.и.н ≥ 3 · U_ст,
где U_ст - статистическое пробивное напряжение стартового разрядника,
и длительность фронта
t_ф.и.и.н ≅ 10^-9 с,
затем формирующий импульс напряжения по энергопроводу последовательно подают на разрядники каскадов, начиная с первого, которые последовательно срабатывают, обеспечивая последовательное покаскадное обострение фронта формирующегося в энергопроводе импульса, что выражается следующими соотношениями:
t_ф.N ≅ t_ф.k ≅ t_ф.(k-1) < t_ф.и.и.н;
t_ф.0 = t_ком.0;
t_ком.(k+1) ≅ t_ком.k;
t_ком.k ≅ t_ф.k ≅ t_ком.0;
t_ф.N = t_ком.N;
k = 1,2,...,N-1;
A_k = A_k-1 + U_осн/2;
A₀ = U_и.и.н + U_осн/2;
A_N = 2 · A_N-1 · Z_н/Z_н + Z_э,
где k - номер каскада;
t_ф.k - длительность фронта формирующегося в энергопроводе импульса напряжения после срабатывания разрядника k-го каскада;
t_ф.0 - длительность фронта импульса напряжения после срабатывания стартового разрядника;
t_ф.N - длительность фронта импульса на нагрузке;
t_ком.0 - время коммутации стартового разрядника;
t_ком.k - время коммутации разрядника k-го каскада;
t_ком.N - время коммутации разрядника N-го каскада на нагрузку;
A_k - амплитуда формирующегося импульса после k-го каскада;
A_N - амплитуда импульса после N-го каскада (на нагрузке);
А₀ - амплитуда формирующегося импульса после стартового разрядника;
Z_э - волновое сопротивление энергопровода.

2. Генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Маркса, содержащий N каскадов, энергопровод, состоящий из прямого и обратного токоподводов, емкостные накопители каскадов, разрядники каскадов и стартовый разрядник, устройство запуска, нагрузку, отличающийся тем, что генератор дополнительно содержит широкополосную однородную длинную линию передачи между устройством запуска и стартовым разрядником, энергопровод выполнен в виде широкополосной однородной длинной линии с распределенными параметрами, состоящей из N отрезков, соединенных разрядниками каскадов, причем каждый из отрезков содержит в прямом токопроводе разрыв, емкостный накопитель каскада, включенный в разрыв прямого токопровода, при этом выполнены соотношения

k = 1,2,...,N;
t_ф.(k-1) ≅ 2 · t_{проб(k-1)};
2,5 · t_ф.k ≅ (2 · Z_э · C_k, 2,5 · t_ф.и.и.н) ≅ 5 · t_проб.п; 2 · Z_э · C_p.k ≅ t_ф.k/2,5;
2 · Z_э · С_р.О ≅ t_ф.О/2,5;

где k - номер каскада;
h_э - расстояние между прямым и обратным токопроводами;
с₀ - скорость света в вакууме;
t_ком.k - время коммутации разрядника k-го каскада;
ε_r.э - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в энергопроводе;
t_ф.k - длительность фронта электромагнитного импульса после срабатывания разрядника k-го каскада;
t_{проб(k-1)} - время пробега электромагнитного импульса по энергопроводу между разрядниками (k - 1)-го и k-го каскадов;
t_проб.п - время пробега электромагнитного импульса (импульса напряжения) по линии передачи между устройством запуска и стартовым разрядником;
t_ф.и.и.н - длительность фронта импульса от устройства запуска;
t_ф.0 - длительность фронта импульса после срабатывания стартового разрядника;
Z_э - волновое сопротивление энергопровода, равное волновому сопротивлению линии передачи между устройством запуска и стартовым разрядником;
С_k - емкость накопителя k-го каскада;
С_р.k - емкость между электродами разрядника k-го каскада;
С_р.0 - емкость между электродами стартового разрядника;
h_с - длина разрыва в прямом токопроводе, в который (разрыв) включен емкостный накопитель k-го каскада;
ε_r.с - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в емкостном накопителе k-го каскада.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3