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 генератора. Генератор высоковольтных импульсов содержит заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины. Во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий каждый из них на две однородные линии. Между высоковольтными и одним из заземленных электродов 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 электродом и заземленными электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии, выбраны в соответствии с указанными соотношениями. 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 B, 10³-10⁶ A, 10^-7-10^-8 c).

Известен генератор [1, fig. 2a], содержащий два электрода, образующих ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T_о, первый прерыватель тока и источник тока, включенные последовательно между электродами на входе СЛ, резистивную нагрузку и второй прерыватель тока, подсоединенные параллельно к выходу СЛ. (Источник тока может быть включен также в любом месте разрыва любого из электродов, если параллельно с ним включить разрядник.) При включении первого прерывателя тока в результате волновых процессов при оптимальном соотношении волновых сопротивлений Z_i = Z₁ · 2/[i(1 + 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 nT_о по отношению к моменту включения первого прерывателя. На согласованной нагрузке Z_н = Z_n формируется одиночный импульс напряжения прямоугольной формы длительностью 2T_о, в течение которого энергия полностью передается в нагрузку. Ток в согласованном режиме работы превышает начальный ток I_о в n/2 раза, добавление в СЛ каждого дополнительного отрезка повышает ток на величину I_о/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. 3c] , содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T_о, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков СЛ и разделяющий каждый из них 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 четыре отрезка линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V_о, 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 = 3, 4,...., n - номер отрезка СЛ;
n - полное число отрезков линий в СЛ;
Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i,
волновых сопротивлений, образованных высоковольтным электродом в первом отрезке СЛ:
- с разрядником Z₁ = Z_n/[n(n + 2)];
- без разрядника = 3Z₁,
и во втором отрезке СЛ:
- с разрядником Z₂ = Z_n/[2(n - 1)n];
- без разрядника = 3Z₂.

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

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 в 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 не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков СЛ и разделяющий каждый из них 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 высоковольным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии как с разрядником Z, так и без разрядника равны соответственно


волновые сопротивления отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения

где
i = 3, 4,..., 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
V_о/I_о=Z₁
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 2T_о 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, 8 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 во втором отрезке ступенчатой линии, с разрядником и без разрядника соответственно; 9 - источник напряжения; 10 - разрядник; 11 - источник тока; 12 - разрядник для отключения источника тока; 13 - третий 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 T_о. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока 2 и резистивная нагрузка 3. Во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 4, делящий первый отрезок СЛ на две однородные линии 5 и 6 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₁ и а второй отрезок СЛ на две однородные линии 7 и 8 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₂ и Между высоковольтным 4 и заземленным электродом 1 включены источник напряжения 9 и разрядник 10, причем разрядник 10 размещен в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии. В разрыв заземленного электрода 1 в любом месте включены параллельно соединенные источник тока 11 и разрядник 12. Волновые сопротивления линий 5 и 6, образованных высоковольтным электродом 4 в первом отрезке ступенчатой линии, Z₁ и равны между собой и выбраны из соотношения (1)

Волновые сопротивления линий 7 и 8, образованных высоковольтным электродом 4 во втором отрезке ступенчатой линии, Z₂ и также равны между собой и выбраны из соотношения (2)

Волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения (3)

где
i = 3, 4, ...., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического магнитного поля.

Отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V_о/I_о = Z₁.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 9 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V_о электрической емкости четырех отрезков 5, 6, 7, и 8 с импедансами Энергия запасается в указанных отрезках в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока 11 в первоначально замкнутом контуре, образованном электродом 1 и прерывателем тока 2, создается ток I_о и энергия запасается дополнительно во всем объеме ступенчатой линии в виде магнитного поля. Соотношение величин V_о и I_о выбраны в соответствии с уравнением (4). (Полярность напряжения V_о и направление тока I_о выбираются таким образом, чтобы после включения разрядника 10 в линии 5 происходило уменьшение тока). Величины V_о и I_о 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 I_о и максимального зарядного напряжения V_о включается разрядник 10. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. (Разрядник 13, отсоединяющий источник тока 11 от ступеней линии, включается после достижения максимального тока I_о до прихода к нему первой электромагнитной волны от разрядника 10, например, в момент времени t = 0). При включении разрядника 10 по линиям 5 и 7 будут распространяться волны разрядки - V_о, после прохождения которых напряжение в указанных линиях становится равным нулю. 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 - V_о/Z₁, равный в соответствии с (4) по амплитуде, но противоположный по направлению начальному току I_о, 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 = T_о волна разрядки, распространяющаяся по линии 6, достигает места ее соединения с линией 7. Так как волновые сопротивления этих линий выбраны равными, то волна разрядки проходит место соединения без отражений. Отметим, что после прохождения поворота линии из-за изменения направления распространения меняется полярность волны напряжения. Энергия полностью отобрана из линии 5, и начинает полный отбор энергии из линии 8. В этот же момент времени волна разрядки, распространяющаяся по линии 7, достигает места ее соединения с линиями 8 и 13. В линию 7 отразится волна напряжения

в линию 13 пройдет волна разрядки

а в линию 8 - волна разрядки

В момент времени t = 2T_о происходит следующее. Волна -V_o(α+n-1)/[2(α+n-2)], распространяющаяся по линии 7, достигает замкнутого накоротко разрядника 10 и отражается от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения линий 6 и 8 проходят одновременно две волны: V_о по линии 6 и V_o(α+n-3)/[2(α+n-2)] по линии 8. В линию 6 пойдет волна

То есть в результате взаимной компенсации двух волн амплитуда волны, отраженной в момент времени t = 2T_о в линию 6, равна нулю. В линию 8 пойдет волна

В этот же момент времени (t = 2T_о) после прихода к месту соединения отрезков с импедансами Z₃ и Z₄ волны -V_o(α+n-1)/(α+n-2) в линию 13 с волновым сопротивлением Z₄ отразится волна -V_o(α+n-1)/[(α+n-2)(α+n-3)]. В момент времени t = 3T_о к месту соединения линий 7, 8 и 13 приходят одновременно три волны: волна по линии 7, такая же волна по линии 8 и волна -V_o(α+n-1)/[(α+n-2)(α+n-3)] по линии 13. В результате в линию 13 пойдет волна напряжения V_o(α+n-1)/(α+n-3), а суммарная амплитуда волн, отраженных и прошедших как в линию 7, так и в линию 8, равна нулю. К этому моменту времени завершается полный отбор энергии из линий 5, 6, 7 и 8. Таким образом, в линию 13 с волновым сопротивлением Z₃ в момент времени t = T_о пойдет волна напряжения V₁= -V_o(α+n-1)/(α+n-2), а в момент времени t = 3T_о - волна -V₂= V_o(α+n-1)/(α+n-3). В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только первой волны. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии волна V₁ будет изменять свою амплитуду. В интервале времени iT₀-(i+1)T₀ волна V₁ будет распространяться по отрезку СЛ с номером i и ее амплитуда Vⁱ₁ будет равна

В момент времени t = (n-1)T_о, 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)T_о, равна

и остается постоянной в интервале времени (n-1)T_о- (n+1)T_о. В дальнейшем в общем случае на нагрузке формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T_о. 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-1)/α и длительностью 2T_о. 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; С 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, а 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 10, то предымпульсное напряжение на выходе генератора отсутствует. В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке 3 формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой что при выборе величины α меньше 1 превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равное V₀n. Например, при α = 0,5 превышение напряжения составляет (2-1/n) раз. Так как в рассматриваемом генераторе число отрезков n не может быть выбрано меньше 2, 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. Зс).

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 не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии и разделяющий каждый из них 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 и втором отрезках ступенчатой линии как с разрядником Z, так и без разрядника равны соответственно


волновые сопротивления отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода выбраны из соотношения

где i = 3,4,...,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