Генератор высоковольтных импульсов

 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники. Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения. 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 отрезков на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродами включен источник напряжения. К выходу ступенчатой линии подключены соединенные последовательно нагрузка и предимпульсный разрядник. Между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии подключен один из концов дополнительной однородной линии, электрическая длина которой равна электрической длине отрезков ступенчатой линии. На другом конце дополнительной линии включен коммутирующий разрядник. Приведены соотношения, определяющие выбор волновых сопротивлений отрезков линий. 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 - 10⁶A, 10^-7 - 10^-8с).

Известен генератор [1, фиг. 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 этот отрезок на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтными и заземленным электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, а также соединенные последовательно с выходом СЛ резистивную нагрузку и предимпульсный разрядник. Под действием источника напряжения две линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V₀, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении коммутирующего разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений: где Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка СЛ; волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, причем коммутирующий разрядник включен в линии с волновыми сопротивлениями Z₂; Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода; i = 3,4,..., n - номер отрезка ступенчатой линии; n - число отрезков ступенчатой линии.

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании предимпульсного разрядника с задержкой на время (n+1)T₀ по отношению к моменту включения коммутирующего 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 3V₀/4. Максимальное напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода составляет (3n-2)/2·V₀.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (3n-2)/4·V₀ в согласованном режиме и (3n-2)/2·V₀ в режиме холостого хода.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов [1, фиг.3 c] , 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 двух первых отрезков СЛ и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтными и заземленными электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, а также соединенные последовательно с выходом СЛ резистивную нагрузку и предимпульсный разрядник. Под действием источника напряжения четыре 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 где
волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии соответственно, причем коммутирующий разрядник подключен к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3, 4,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии.

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_H=Z_n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T₀, 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 V₀. Максимальное напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода составляет 2n·V₀.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное n·V₀ в согласованном режиме и 2n·V₀ в режиме холостого хода.

Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения.

Технический результат достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутого 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, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предимпульсный разрядник, снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине отрезков ступенчатой линии, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:

,
где
волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии соответственно, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3, 4,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии.

Включение в состав генератора дополнительной линии, изменение положения коммутирующего разрядника и указанный оптимальный выбор волновых сопротивлений в совокупности обеспечивают полную передачу запасенной в генераторе энергии в согласованную нагрузку при формировании на ней прямоугольного импульса напряжения повышенной амплитуды.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - высоковольтный электрод; 3, 4 - однородные линии, образованные высоковольтные электродом 2 в первом отрезке ступенчатой линии; 5, 6 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 2 во втором отрезке ступенчатой линии; 7 - дополнительная однородная линия; 8 - коммутирующий разрядник; 9 - источник напряжения; 10 - нагрузка; 11 - предимпульсный разрядник; 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. Во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 2, делящий первый отрезок СЛ на две однородные линии 3 и 4 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно а второй отрезок СЛ на две однородные линии 5 и 6 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии подключен один из концов дополнительной однородной линии 7, электрическая длина которой равна электрической длине отрезков ступенчатой линии. На другом конце дополнительной линии 7 включен коммутирующий разрядник 8. Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами включен источник напряжения 9. К выходу ступенчатой линии подключены соединенные последовательно нагрузка 10 и предимпульсный разрядник 11. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:


где
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода с номером i = 3, 4,..., n;
n - число отрезков ступенчатой линии.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 9 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости четырех отрезков линий 3, 4, 5, и 6 с импедансами а также дополнительной линии с волновым сопротивлением Z. Энергия запасается в указанных линиях в виде электрического поля. При достижении максимального зарядного напряжения V₀ включается коммутирующий разрядник 8, замыкающий накоротко конец дополнительной линии, по которой побежит волна разрядки - V₀. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом чертеже в ступенчатой линии направлен снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево. В момент времени t=T₀ волна разрядки, распространяющаяся по дополнительной линии 7, достигает места ее соединения с линиями 3 и 5. В дополнительную линию 7 отразится волна напряжения -2/3·V₀, а в линии 3 и 5 пойдут волны одинаковой амплитуды -5/3·V₀. В момент времени t=2T₀ происходит следующее. Волна -2/3·V₀, распространяющаяся по дополнительной линии 7, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 8 и отражается без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. Волна напряжения -5/3·V₀, распространяющаяся по линии 3, приходит к месту ее соединения с линией 4. В результате в линию 3 отразится волна - V₀/3, а в линию 4 пройдет волна 2V₀. В этот же момент времени волна - 5/3·V₀ по линии 5 приходит к месту соединения последней с линиями 6 и 12. В результате в линию 5 отразится волна, в линию 6 пойдет волна а в линию 12 - волна В момент времени t=3T₀ происходит следующее. К месту соединения дополнительной линии 7 с линиями 3 и 5 приходят три волны напряжения: по линии 7 - волна 2/3·V₀, по линии 3 - волна - V₀/3 и по линии 5 - волна В результате в дополнительную линию отразится волна напряжения V₀/6, в линию 3 пойдет волна 7V₀/6, а в линию 5 - волна К месту соединения линий 4 и 6 приходят две волны: по линии 4 - волна 2V₀ и по линии 6 - волна В результате в линию 4 пойдет волна напряжения V₀/2, а в линию 6 - волна В этот же момент времени волна - распространяющаяся по третьему отрезку ступенчатой линии 12, достигает место его соединения с четвертым отрезком СЛ. В линию 12 отражается волна напряжения В момент времени t= 4T₀ происходит следующее. Волна 1/6·V₀, распространяющаяся по дополнительной линии 7, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 8 и отражается без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения линий 3 и 4 приходят две волны напряжения: по линии 3 - волна 7V₀/6, а по линии 4 - волна V₀/2. В этот же момент времени к месту соединения линий 5, 6 и 12 приходят три волны: по линии 5 - волна по линии 6 - волна а по линии 12 - волна В результате в линию 5 пойдет волна в линию 6 - волна а в линию 12 - волна Таким образом, в третий отрезок ступенчатой линии 12 в момент времени t=2T₀ пойдет волна напряжения а в момент времени t= 4T₀ - волна В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только этих двух волн напряжения. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии волны будут менять свою амплитуду. В интервале времени iT₀ - (i+1)T₀ первая волна будет распространяться по отрезку ступенчатой линии с номером i и ее амплитуда Vⁱ₁ будет равна

Амплитуда второй волны в отрезке ступенчатой линии с номером i, обозначим ее V₂ⁱ, связана с амплитудой этой же волны в отрезке с номером i-1 и амплитудой первой волны в отрезке с номером i следующим рекурентным соотношением:

С учетом соотношения волновых сопротивлений отрезков ступенчатой линии, выражения для Vⁱ₁ и амплитуды волны V³₂ в третьем отрезке ступенчатой линии находим В момент времени t=nT₀ первая волна с амплитудой Vⁿ₁ = -5nV₀/6 приходит к выходу генератора с волновым сопротивлением Z_n. Так как предимпульсный разрядник 11 выключен, то волна напряжения отражается от разомкнутого конца линии без изменения полярности и амплитуды. В результате выходной отрезок ступенчатой линии с номером n оказывается заряженным до напряжения 2Vⁿ₁. В момент времени t=(n+2)T₀ включается предимпульсный разрядник 11, и на нагрузке 10 с импедансом Z_н формируется импульс напряжения

В это же время к выходу генератора приходит волна Vⁿ₂ = 5nV₀/2 и на нагрузке 10 возникает импульс напряжения Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 10 в момент времени t=(n+2)T₀, равна и остается постоянной в интервале времени t=(n+2)T₀ - (n+4)T₀. В дальнейшем на нагрузке формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T₀. Амплитуда напряжения максимальна в режиме холостого хода и равна 10nV₀/3. Генератор имеет максимальный КПД в согласованном режиме, когда Z_н= Z_n. В этом случае на нагрузке 10 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой 5nV₀/3 и длительностью 2T₀. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 10 равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе
где
электрическая емкость линий с волновыми сопротивлениями соответственно.

Следовательно к моменту времени t= (n+4)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 10, и напряжение и ток в любом сечении генератора становятся равными нулю.

В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке 10 формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой 5nV₀/3, что в 5/3 раза превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равного nV₀.

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 highvoltage 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. 1, PP. 511-516 (аналог - стр. 512, fig. 2а; прототип - стр. 513, fig. 3c).

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. 1, 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, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предимпульсный разрядник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине отрезков ступенчатой линии, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:


волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами и первом и втором отрезках ступенчатой линии соответственно, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;
Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;
i = 3,4..., n - номер отрезка ступенчатой линии;
n - число отрезков ступенчатой линии;
Z - волновое сопротивление дополнительной линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1