Генератор высоковольтных импульсов

 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике. Техническим результатом является устранение на выходе генератора предымпульсного напряжения при формировании на резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса, напряжение которого значительно превышает зарядное напряжение генератора. Дополнительно изобретение позволяет значительную часть энергии запасать в генераторе в виде магнитного поля, что при одинаковом полном энергозапасе снижает требования к электрической прочности и генератора. Генератор высоковольтных импульсов содержит заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины. Во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий его на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродами включены источник напряжения и разрядник, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии. На выходе ступенчатой линии включены соединенные параллельно резистивная нагрузка и прерыватель тока. В разрыв заземленного электрода включены соединенные параллельно источник тока и разрядник. Волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии, выбраны в соответствии с заданным соотношением. 1 ил.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных высоковольтных импульсов, например, для генерации пучков заряженных частиц (10⁵ - 10⁷ В, 10³ - 10⁶ А, 10⁷ - 10^-8 с).

Известен генератор [1, fig. 2a], содержащий два электрода, образующие ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т₀, первый прерыватель тока и источник тока, включенные последовательно между электродами на входе СЛ, резистивную нагрузку и второй прерыватель тока, подсоединенные параллельно к выходу СЛ. При включении первого прерывателя тока в результате волновых процессов при оптимальном соотношении волновых сопротивлений Z_i=Z₁ · 2/[i(i+1)], где i=1, 2,...., n - номер отрезка линии, отсчитываемый от входа СЛ; n - полное число отрезков линий в СЛ; Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i, энергия, запасенная первоначально во многих отрезках в виде магнитного поля, полностью концентрируется на выходе СЛ. Второй прерыватель тока включается с задержкой на время nT₀ по отношению к моменту включения первого прерывателя. На согласованной нагрузке Z_н=Z_n формируется одиночный импульс напряжения прямоугольной формы длительность 2T₀, в течение которого энергия полностью передается в нагрузку. Ток в согласованном режиме работы превышает начальный ток I₀ в n/2 раза, добавление в СЛ каждого дополнительного отрезка повышает ток на величину I₀/2. Так как нагрузка подключается к выходу СЛ при размыкании второго прерывателя тока в момент времени прихода к нему первой электромагнитной волны от первого прерывателя тока, то на выходе генератора отсутствует предымпульсное напряжение.

Недостатком генератора является отсутствие такого оптимального соотношения волновых сопротивлений, при котором при сохранении в идеальном случае 100%-ного КПД было бы возможно повышение напряжения на нагрузке. В найденном варианте напряжение на согласованной нагрузке в (n+1) раз меньше напряжения, возникающего на входе СЛ при включении первого размыкателя тока, и его величина падает с увеличением числа отрезков СЛ.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов [1, fig. 3a] , содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого отрезка СЛ и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения и первый разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, резистивную нагрузку на выходе СЛ. Под действием источника напряжения два отрезка линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V₀, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении первого разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений Z_i=Z_n · 2/[(n-i+1)(n-i+2)], где i=2, 3,...., n - номер отрезка СЛ;
n - полное число отрезков линий в СЛ;
Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i;
волновых сопротивлений отрезков, образованных высоковольтным электродом в первом отрезке СЛ:
- с разрядником Z_i = Z_n · 2/[(n+1)(n+2)];
- без разрядника = Z_n · 2/[n(n+1)].

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2 T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании второго разрядника с задержкой на время (n+1)T₀ по отношению к моменту включения первого разрядника, то есть с задержкой на время 2T₀ по отношению к моменту прихода к выходу генератора первой электромагнитной волны. На согласованной нагрузке Z_н=Z_n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого вся энергия передается в нагрузку. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в (n+1)/2 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину 0,5V₀.

Недостатком прототипа является наличие на выходе генератора предымпульсного напряжения перед подключением нагрузки, равного по амплитуде и длительности, но противоположного по полярности напряжению на согласованной нагрузке. Наличие значительного по величине предымпульсного напряжения, что в данном генераторе является необходимым условием высокого КПД, имеет негативные последствия. Во-первых, на выходе генератора необходимо использовать разрядник, к которому предъявляются весьма высокие требования. Он должен выдерживать без пробоя высокое предымпульсное напряжение, а затем в течение относительно короткого рабочего импульса пропустить всю первоначально запасенную в генераторе энергию. Поэтому в ряде случаев предельные выходные параметры генератора определяются возможностями предымпульсного разрядника. Во-вторых, несмотря на разрядник предымпульсное напряжение из-за наличия паразитных электрических емкостей частично попадает на нагрузку, что в ряде случаев крайне нежелательно. Например, при использовании в качестве нагрузки генератора вакуумного диода для формирования пучков заряженных частиц предымпульсное напряжение приводит к образованию в ускоряющем зазоре плазмы, оказывающей существенное влияние на характеристики диода в течение рабочего импульса и ухудшающей воспроизводимость выходных параметров генератора от импульса к импульсу.

Техническим результатом является устранение предымпульсного напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения, амплитуда которого значительно превышает зарядное напряжение генератора. Дополнительно данное техническое решение позволяет значительную часть энергии запасать в генераторе в виде магнитного поля, что при одинаковом полном энергозапасе снижает требования к электрической прочности генератора.

Технический результат достигается тем, что в генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины, высоковольтный электрод размещенный во внутреннем объеме первого отрезка СЛ и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения и разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, нагрузку на выходе СЛ, параллельно нагрузке на выходе ступенчатой линии включен прерыватель тока, в разрыв заземленного электрода включены соединенные параллельно источник тока и разрядник, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии равны:


волновые сопротивления отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения

где
i=2, 3,...., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и в виде магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀=Z_l. (4)
Отсутствие предымпульсного напряжения на выходе генератора в режиме полной передачи энергии в согласованную нагрузку обеспечивается за счет предварительного создания в генераторе магнитного потока. С этой целью в генератор введены источник тока и прерыватель тока. Разрядник, включенный параллельно источнику тока, необходим для отключения последнего от генератора до момента прихода к источнику первой электромагнитной волны. Оптимальные соотношения волновых сопротивлений (1), (2), а также отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе (4) обеспечивают в ходе волновых процессов полную передачу энергии в нагрузку в течение короткого импульса длительностью 2T₀ с одновременным значительным повышением напряжения на нагрузке по сравнению с зарядным напряжением.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - прерыватель тока; 3 - нагрузка; 4 - высоковольтный электрод; 5, 6 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 в первом отрезке ступенчатой линии, с разрядником и без разрядника соответственно: 7 - источник напряжения; 8 - разрядник; 9 - источник тока; 10 - разрядник для отключения источника тока; 11 - второй отрезок ступенчатой линии.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока 2 и резистивная нагрузка 3. Во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 4, делящий первый отрезок СЛ на две однородные линии 5 и 6 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₁ и Между высоковольтным 4 и заземленным электродом 1 включены источник напряжения 7 и разрядник 8, причем разрядник 8 размещен в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии. В разрыв заземленного электрода 1 в любом месте включены параллельно соединенные источник тока 9 и разрядник 10. Волновые сопротивления линий 5 и 6, образованных высоковольтным электродом 4 в первом отрезке ступенчатой линии, Z₁ и выбраны из соотношений (1) и (2) соответственно


Волновые сопротивления отрезков СЛ с номерами i=2, 3..., n выбраны из соотношения (3)

где
i=2, 3,...., n - номер ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и в виде магнитного поля.

Отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀=Z_l.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 7 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости двух отрезков 5 и 6 с импедансами Z₁ и Энергия запасается в указанных отрезках в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока 9 в первоначально замкнутом контуре, образованном электродом 1 и прерывателем тока 2, создается ток I₀ и энергия запасается дополнительно во всем объеме ступенчатой линии в виде магнитного поля. Соотношение величин V₀ и I₀ выбраны в соответствии с уравнением (4). (Полярность напряжения V₀ и направления тока I₀ выбираются таким образом, чтобы после включения разрядника 8 в линии 5 происходило уменьшение тока). Величины V₀ и I₀ определяются и фиксируются до начала зарядки генератора путем выбора использования соответствующих источников напряжения или тока, либо путем предварительного регулирования выходных параметров этих источников. При достижении максимального тока I₀ и максимального зарядного напряжения V₀ включается разрядник 8. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t=0. (Разрядник 10, отсоединяющий источник тока 9 от ступенчатой линии, включается после достижения максимального тока I₀ до прихода к нему первой электромагнитной волны от разрядника 8, например, в момент времени t= o). При включении разрядника 8 по линии 5 будет распространяться волна разрядки - V₀, после прохождения которой напряжение в линии 5 становится равным нулю. Одновременно по линии 6 побежит волна напряжения V_o(α+n-2)/[2(α+n-1)], а по линии 11 - волна напряжения - V_o(α+n)/[2(α+n-1)]. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом рисунке направлен снизу вверх. Так как под действием волны разрядки в линии 5 создается ток - V₀/Z₁, равный в соответствии с (4) по амплитуде, но противоположный по направлению начальному току I₀, то в результате суперпозиции в данной линии становится равным нулю не только напряжение, но и ток. Таким образом, после прохождения волны разрядки из линии 6 отбирается полностью не только электрическая, но и магнитная энергия. В момент времени t=T₀ волна разрядки, распространяющаяся по линии 5, достигает места ее соединения с линией 6. В результате в линию 6 пойдет волна напряжения

То есть в результате взаимной компенсации двух волн амплитуды волны, отраженной в момент времени t=T₀ в линию 5, равна нулю. В линию 6 пойдет волна напряжения

Энергия полностью отобрана из линии 5, и начинается отбор энергии из линии 6. В этот же момент времени волна разрядки, распространяющаяся по линии 11, достигает места ее соединения с линией, имеющей волновое сопротивление Z₃. В линию 11 отразится волна напряжения.

а в линию в волновым сопротивлением Z₃ пройдет волна разрядки

В момент времени t= 2T к месту соединения линий 6 и 11 приходят две волны: по линии 6 - волна V_o(α+n)/[2(α+n-1)], а по линии 11 - волна -V_o(α+n)/[2(α+n-1)(α+n-2)]. В результате суммарная амплитуда волны напряжения, отраженной в линию 6, равна нулю

а в линию 11 побежит волна напряжения

В момент времени 2T₀ завершается полный отбор энергии из отрезка 6 и начинается отбор энергии из отрезка 11. Отбор энергии из остальных отрезков СЛ осуществляется аналогичным образом - первая электромагнитная волна начинает отбор энергии, а завершает этот процесс волна, приходящая со стороны разрядника 8 с задержкой 2 T₀. В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только первой электромагнитной волны. В момент времени t= 0 в линию 11 с волновым сопротивлением Z₂ побежит волна напряжения -V_o(α+n)/[2(α+n-1)]. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии волна будет изменять свою амплитуду. В интервале времени (i-2)T₀ - (i-1)T₀ волна будет распространяться по отрезку СЛ с номером i и ее амплитуда Vⁱ₁ будет равна

В момент времени t=(n-1)T₀, когда первая волна напряжения приходит к выходу генератора, включается прерыватель тока 2, подключающий резистивную нагрузку 3 с импедансом Z_н. В результате прихода волны на нагрузке 3 формируется импульс напряжения а в результате размыкания прерывателя тока - импульс напряжения

Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 3 в момент времени t=(n-1)T₀, равна

и остается постоянной в интервале времени (n-1)T₀ - (n+1)T₀. В дальнейшем в общем случае на нагрузке формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T₀. Генератор имеет наибольший КПД в согласованном режиме, когда Z_н=Z_n. В этом случае на нагрузке 3 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой V_o(α+n)/2αи длительностью 2T₀. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 3

равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе

где
E_C и E_L - энергия, запасаемая в генераторе в электрическом и магнитном поле соответственно; C и L - электрическая емкость и индуктивность линий с соответствующими волновыми сопротивлениями.

Следовательно, к моменту времени t= (n+1)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 3, и напряжение и ток в любом сечении генератора становятся равными нулю.

Так как нагрузка 3 подключается к выходу генератора при размыкании прерывателя тока 2 в момент времени прихода к нему первой электромагнитной волны от разрядника 8, то предымпульсное напряжение на выходе генератора отсутствует. В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой V₀(α+n)/2α, что при выборе величины α меньше 1, превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равного V₀(n+1)/2. Например, при α =0,5 превышение напряжения составляет [2-1/(n+1)] раз. Так как в рассматриваемом генераторе число отрезков n не может быть выбрано меньше 1, то выигрыш по напряжению составляет не менее 1,5 раза. Выигрыш растет с увеличением числа отрезков СЛ и уменьшением величины α. Оптимальный выбор числа отрезков СЛ и величины α должен проводиться отдельно для каждого конкретного применения.

Правильность метода анализа волновых процессов в высоковольтных генераторах на ступенчатых линиях, подобного проведенному выше, была неоднократно подтверждена при создании ряда сильноточных импульсных ускорителей электронов с системами формирования импульсов ускоряющего напряжения на ступенчатых линиях [2 - 4].

Генератор может быть выполнен в вариантах, использующих полосковые, коаксиальные и радиальные линии с распределенными параметрами.

Источники информации
1. Bossamykin V.S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I.. New schemes for high-voltage pulsed generators based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992 ; Springfield, VA, NTIS. 1992. V. I, PP. 511-516 (аналог - стр. 512, fig. 2а; прототип - стр. 513, fig. За).

2. Bossamykin V.S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. Pulsed power electron accelerator with the forming systems based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V. I, PP. 505-510.

3. Bossamykin V. S. , Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. STRAUS-2 electron pulsed accelerator // 9^th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 910-912.

4. Bossamykin V. S. , Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. Linear induction accelerator LIA-10M// 9^th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V.2. PP. 905-907.

Формула изобретения

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения и разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, нагрузку на выходе ступенчатой линии, отличающийся тем, что на выходе ступенчатой линии параллельно нагрузке включен прерыватель тока, в разрыв заземленного электрода включены соединенные параллельно источник тока и разрядник, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии равны


волновые сопротивления отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения:

где
i = 2,3,...,n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
α- - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и в виде магнитного поля, а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀=Z₁.

РИСУНКИ

Рисунок 1