Генератор высоковольтных импульсов

 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике. Техническим результатом является устранение на выходе генератора предимпульсного 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, при одинаковом полном энергозапасе требования к электрической прочности генератора. Генератор высоковольтных импульсов содержит заземленный электрод, образующий ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределительными параметрами одинаковой электрической длины. Во внутреннем объеме второго 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 первого и второго отрезков ступенчатой линии выбраны в соответствии с указанными соотношениями параметров. 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 [l, fig. 2a], содержащий два электрода, образующие ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, 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=Z_l·2/[i(i+l)], 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 выход СЛ. Второй прерыватель тока включается с задержкой на время nT₀ по отношению к моменту включения первого прерывателя. На согласованный нагрузке Z_н=Z_n формируется одиночный импульс напряжения прямоугольной формы длительностью 2T₀, в течение которого энергия полностью передается в нагрузку. Ток в согласованном режиме работы превышает начальный ток I₀ в n/2 раз, 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 предимпульсное 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. 3b] , 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 T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме второго 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: волновое сопротивление первого отрезка СЛ Z₁=Z_n4/[4+2)], волновые сопротивления отрезков, образованных высоковольтным электродом во втором отрезке СЛ:
- с разрядником Z₂=Z_n·2/[(n-1)(3n-2)],
- без разрядника =Z_n·2/[n(3n-2)],
волновые сопротивления отрезков СЛ без высоковольтного электрода
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.

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. 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 (3n-2)/4 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину 0.75V₀.

Недостатком прототипа является наличие на выходе генератора предимпульсного напряжения перед включением нагрузки, равного по амплитуде и длительности, но противоположного по полярности напряжению на согласованной нагрузке. Наличие значительного по величине предимпульсного напряжения, что в данном генераторе является необходымым 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 предимпульсное напряжение, а затем в течение относительно короткого рабочего импульса пропустить всю первоначальную запасенную в генераторе энергию. Поэтому в ряде случаев предельные выходные параметры генератора определяются возможностью предимпульсного разрядника. Во-вторых, несмотря на разрядник предимпульсное 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 предимпульсное 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 предимпульсного 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, 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 второго 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, волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии равно

волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором 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

Отсутствие предимпульсного 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 окончания отключения последнего от генератора до момента прихода к источнику первой электромагнитной волны. Оптимальные соотношения волновых сопротивлений (1)-(3), а также отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе (5) обеспечивают в ходе волновых процессов 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 - первый отрезок ступенчатой линии; 6, 7 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 4 во втором отрезке ступенчатой линии, с разрядником и без разрядника соответственно; 8 - источник напряжения; 9 -разрядник; 10 - источник тока; 11 - разрядник для отключения источника тока; 12 - третий отрезок ступенчатой линии.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух 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 второго отрезка ступенчатой линии высоковольтный электрод 4, делящий отрезок СЛ на две однородные линии 6 и 7 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₂ и Между высоковольтным 4 и заземленным электродом 1 включены источник напряжения 8 и разрядник 9, причем разрядник 9 размещен в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии. В разрыв заземленного электрода 1 в любом месте включены параллельно соединенные источник тока 10 и разрядник 11. Волновое сопротивление первого отрезка СЛ выбрано в соответствии с уравнением (1)

Волновые сопротивления линий 6 и 7, образованных высоковольтным электродом 4 во втором отрезке ступенчатой линии, Z₂ и выбраны из соотношений (2) и (3) соответственно


Волновые сопротивления отрезков СЛ с номерами i=2,3,..., n выбраны из соотношения (4)

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. Отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 8 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости двух отрезков 6 и 7 с импедансами Z₂ и Энергия запасается в указанных отрезках в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока 10 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 выбрано в соответствии с уравнением (5) (полярность напряжения V₀ и направление тока I₀ выбираются таким образом, чтобы после включения разрядника 9 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 9. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t=0 (разрядник 11, отсоединяющий источник тока 10 от СЛ, включается после достижения максимального тока I₀ до прихода к нему первой электромагнитной волны от разрядника 9, например в момент времени t=0). При включении разрядника 9 по линии 6 будет распространяться волна разрядки - V₀, после прохождения которой напряжение в линии 5 становится равным нулю. Одновременно по линии 5 побежит волна напряжения -V₀(2α+2n-3)/[2(α+n-1)], а по линии 7 - волна напряжения V₀/[2(α+n-1)]. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом чертеже направлен снизу вверх. В момент времени t=T₀ волна, распространяющаяся по отрезку 5, достигает короткозамкнутого конца на выходе ступенчатой линии. После отражения полярность волны напряжения меняется на противоположную без изменения амплитуды. При прохождении волны от разрядника 9 отрезок 5 заряжается до напряжения -V₀(2α+2n-3)/[2(α+n-1)] и в нем создается ток -V₀[{(2α+2n-3)/[2(α+n-1)]}/Z₁= -I₀/2. В результате суммарный ток в линии становится равным I₀/2. После прохождения отраженной волны как напряжение, так и ток в отрезке 5 становятся равными нулю. В этот же момент времени (t= T₀) волны напряжения, распространяющие по отрезкам 6 и 7, приходят к месту их соединения с отрезком 12. В результате в отрезок 6 отразится волна напряжения

в отрезок 7 - волна напряжения

а в отрезок 12 пойдет волна

В момент времени t= 2T₀ происходит следующее. Волна напряжения, распространяющаяся по отрезку 6, отражается от короткозамкнутого разрядника 9 без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. В месте соединения отрезков 5 и 7 встречаются две волны. В результате в отрезок 5 пойдет волна

То есть в результате взаимной компенсации двух волн суммарная амплитуда отраженной волны равна нулю. Завершен процесс полного отбора энергии из отрезка 5. В отрезок пойдет волна напряжения

В этот же момент времени волна, распространяющаяся по отрезку 12, достигает места его соединения с отрезком, имеющим волновое сопротивление Z₄. В линию 12 отразится волна напряжения

В момент времени t=3T₀ к месту соединения отрезков 6, 7 и 12 приходят три волны:
по линии 6 - волна

по линии 7 - волна

и по линии 12 - волна

В результате суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных в отрезок 6

и отрезок

равны нулю, а в линию 12 побежит волна напряжения

В момент времени 3T₀ завершается полный отбор энергии отрезков 5, 6, 7 и начинается отбор энергии из отрезка 12. Отбор энергии из остальных отрезков СЛ осуществляется аналогичным образом - первая электромагнитная волна начинает отбор энергии, а завершает этот процесс волна, приходящая со стороны разрядника 9 с задержкой 2T₀. В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только первой электромагнитной волны. В момент времени t= T₀ в линию 12 с волновым сопротивлением Z₃ побежит волна напряжения При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии волна будет изменять свою амплитуду. В интервале времени (i-2)T₀-(i-l)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 V₀(2α+2n-3)/2α и 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 перекрывателя тока 2 в момент времени прихода к нему первой электромагнитной волны от разрядника 9, то предимпульсное 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(2α+2n-3)/2α, что при выборе величины α меньше 2(2n-3)/[3(n-2)] превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равного V₀(3n-2)/4. Отметим, что для любого числа отрезков в ступенчатой линии достаточно выбрать α меньше 3/4. Например, при α = 0,5 превышение напряжения составляет 8(n-1)/(3n-2) раз. Так как в рассматриваемом генераторе число отрезков n не может быть выбрано меньше 2, то выигрыш по напряжению составляет не менее двух раз. 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, принятые во внимание:
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. 3b).

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 второго 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, волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии равно

волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, равны
- с разрядником
- без разрядника
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
с

РИСУНКИ

Рисунок 1