Генератор высоковольтных импульсов

 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано для формирования симметричного двуполярного импульса - меандра наносекундной длительности с высоким КПД, в частности в качестве внешнего источника для питания индукторов безжелезных линейных индукционных ускорителей. Техническим результатом является увеличение амплитуды формируемого на нагрузке симметричного двуполярного импульса - меандра. Генератор высоковольтных импульсов содержит заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными 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. К концам заземленного электрода подключена нагрузка. Между выходом второго отрезка ступенчатой линии и нагрузкой включен образованный продолжением концов заземленного электрода ступенчатой линии дополнительный отрезок линии, электрическая длина которого равна электрической длине отрезков ступенчатой линии. Во внутреннем объеме дополнительного и первого отрезков размещены дополнительные высоковольтные электроды, разделяющие каждый из отрезков на две однородные линии и соединенные с высоковольтным электродом второго отрезка ступенчатой линии. Приведены соотношения для выбора волновых сопряжений этих линий. 1 ил.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано для формирования симметричного двуполярного импульса - меандра наносекундной длительности с высоким КПД, в частности в качестве внешнего источника для питания индукторов безжелезных линейных индукционных ускорителей до напряжения 10⁵ - 10⁷ В при длительности импульса-меандра 10^-8 - 10^-7 с.

Известен генератор высоковольтных импульсов [1], содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутый на входе отрезок однородной линии с распределенными параметрами электрической длины T₀. Во внутреннем объеме отрезка размещен высоковольтный электрод, разделяющий его на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродами включены источник напряжения и разрядник, причем разрядник размещен на выходе отрезка. Резистивная нагрузка подключена к концам заземленного электрода. Электрическая емкость линий заряжается до напряжения V₀ от внешнего источника. В момент времени t = 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, включается разрядник, закорачивающий выходной конец одной из линий и одновременно подключающий к выходу другой линии нагрузку. Оптимальным с точки зрения получения максимального КПД является случай, когда волновые сопротивления линий одинаковы и равны сопротивлению нагрузки. В этом случае на согласованной резистивной нагрузке формируется симметричный двуполярный импульс - меандр. В интервале времени 0 - 2T₀ напряжение равно -0,5V₀, а в интервале времени 2T₀ - 4T₀ напряжение составляет 0,5V₀. Запасенная в генераторе энергия в течение импульса полностью передается в нагрузку.

Недостатком такого генератора является относительно невысокая амплитуда напряжения на нагрузке, равная в согласованном режиме лишь половине зарядного напряжения, т.е. 0,5V₀.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов [2], содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. Во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий отрезок 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. Резистивная нагрузка подключена к концам заземленного электрода. Оптимальным с точки зрения получения максимального КПД является случай, когда волновые сопротивления линий выбраны из соотношений: где Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии; волновые сопротивления линий с разрядником и без разрядника соответственно во втором отрезке ступенчатой линии.

Электрическая емкость двух линий вблизи высоковольтного электрода с волновыми сопротивлениями заряжается от источника до напряжения V₀. В момент времени t = 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение генератора, включается разрядник, соединяющий накоротко высоковольтный и заземленный электроды. На согласованной нагрузке Z_н = Z₁/2 формируется симметричный двуполярный импульс - меандр. В интервале времени T₀ - 3T₀ напряжение на нагрузке равно -3V₀/4, а в интервале времени 3T₀ - 5T₀напряжение составляет 3V₀/4. Запасенная в генераторе энергия в течение импульса полностью передается в нагрузку.

Недостатком прототипа является относительно невысокая амплитуда напряжения на нагрузке, равная в согласованном режиме лишь 3V₀/4.

Техническим результатом является увеличение амплитуды формируемого на нагрузке симметричного двуполярного импульса - меандра, что при использовании таких генераторов в качестве внешних источников для питания индукторов безжелезных линейных индукционных ускорителей при том же числе индукторов позволит увеличить энергию ускорения, либо при той же энергии ускорения использовать меньшее число индукторов.

Технический результат достигается тем, что в генератор, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде 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, подключенную к концам заземленного электрода, между выходом второго отрезка ступенчатой линии и нагрузкой включен образованный продолжением концов заземленного электрода ступенчатой линии дополнительный отрезок линии, электрическая длина которого равна электрической длине отрезков ступенчатой линии, во внутреннем объеме дополнительного и первого отрезков размещены дополнительные высоковольтные электроды, разделяющие каждый из отрезков на две однородные линии и соединенные с высоковольтным электродом второго отрезка ступенчатой линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений где волновые сопротивления линий с разрядником и без разрядника соответственно в первом отрезке ступенчатой линии; волновые сопротивления линий с разрядником и без разрядника соответственно во втором отрезке ступенчатой линии; Z₃ - волновое сопротивление линии в дополнительном отрезке, соединенной с линией с волновым сопротивлением Z₂; волновое сопротивление линии в дополнительном отрезке, соединенной с линией с волновым сопротивлением Введение дополнительного отрезка линии и размещение в его внутреннем объеме и во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии дополнительных высоковольтных электродов, соединенных с высоковольтным электродом второго отрезка ступенчатой линии, повышает энергозапас генератора, а определенным образом подобранные соотношения волновых сопротивлений линий обеспечивают формирование на нагрузке симметричного двуполярного импульса - меандра и позволяют в течение импульса полностью передать запасенную энергию в нагрузку при одновременном повышении выходного напряжения по сравнению с зарядным.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - высоковольтный электрод; 3, 4 - линии с волновыми сопротивлениями соответственно, образованные высоковольтным электродом 2 во втором отрезке ступенчатой линии; 5 - источник напряжения, 6 - разрядник; 7 - дополнительный отрезок линии; 8, 9 - дополнительные высоковольтные электроды, размещенные в дополнительном и первом отрезках ступенчатой линии соответственно; 10, 11 - линии с волновыми сопротивлениями соответственно, образованные дополнительным высоковольтным электродом 9 в первом отрезке ступенчатой линии; 12, 13 - линии с волновыми сопротивлениями соответственно, образованные дополнительным высоковольтным электродом 8 в дополнительном отрезке ступенчатой линии; 14 - нагрузка.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. Во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 2, разделяющий его на две однородные линии 3 и 4 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами включены источник напряжения 5 и разрядник 6, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии. К выходу второго отрезка ступенчатой линии подключен дополнительный отрезок линии 7, образованный продолжением концов заземленного электрода 1. Электрическая длина дополнительного отрезка равна электрической длине отрезков ступенчатой линии T₀. Во внутреннем объеме дополнительного и первого отрезков размещены дополнительные высоковольтные электроды 8 и 9, соединенные с высоковольтным электродом 2 второго отрезка ступенчатой линии. Дополнительный высоковольтный электрод 9 разделяет первый отрезок ступенчатой линии на две однородные линии 10 и 11 с волновыми сопротивлениями . А дополнительный высоковольтный электрод 8 разделяет дополнительный отрезок 7 ступенчатой линии на две однородные линии 12 и 13 с волновыми сопротивлениями Нагрузка 14 подключена на выходе дополнительного отрезка 7 к концам заземленного электрода генератора.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 5 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости шести линий 10, 11, 3, 4, 12 и 13 с волновыми сопротивлениями соответственно. В момент времени t = 0, когда достигается максимальное зарядное напряжение, включается разрядник 6, и по линиям 10 и 3 распространяются волны разрядки - V₀. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом рисунке направлен снизу вверх. В момент времени t = T₀ волна разрядки, распространяющаяся по линии 10, достигает место ее соединения с линией 11. В результате в линию 10 отразится волна напряжения -V₀/2, а в линию 11 пройдет волна 3V₀/2. В этот же момент времени волна разрядки, распространяющаяся по линии 3, достигает место ее соединения с линией 12. В результате в линию 3 отразится волна напряжения а в линию 12 пройдет волна В момент времени t = 2T₀ происходит следующее. Волны напряжения V₀/2 и распространяющиеся соответственно по отрезкам 10 и 3, приходят с разных сторон к короткозамкнутому разряднику 6 и отражаются от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. Волна 3V₀/2, распространяющаяся по линии 11, достигает место ее соединения с линией 4. В результате в линию 11 отразится волна напряжения V₀/2, а в линию 4 пройдет волна 2V₀. В этот же момент времени волна распространяющаяся по линии 12, приходит к выходу генератора. На согласованной резистивной нагрузке 14 появляется импульс напряжения в линию 12 отразится волна - V₀, а в линию 13 пойдет волна напряжения V₀. В момент времени t = 3T₀ происходит следующее. К месту соединения линий 10 и 11 приходят две волны напряжения одинаковой амплитуды, равной V₀/2. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волны, отраженной в линию 10, равна нулю. К этому момент времени завершается полный отбор энергии из линии 10. В линию 11 пойдет волна напряжения - V₀. к месту соединения линий 3 и 12 приходят две волны напряжения: по линии 3 - волна а по линии 12 - волна - V₀. В результате в линию 3 пойдет волна напряжения а в линию 12 - волна К месту соединения линий 4 и 13 приходят две волны напряжения: по линии 4 - волна 2V₀, а по линии 13 - волна V₀. В результате в линию 4 пойдет волна напряжения V₀/2, а в линию 13 - волна 3V₀/2. В момент времени t - 4T₀ происходит следующее. Волна напряжения распространяющаяся по линии 3, приходит к короткозамкнутому разряднику 6 и отражается от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения линий 11 и 4 приходят две волны напряжения: по линии 11 - волна - V₀, а по линии 4 - волна V₀/2. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волны, отраженной в линию 11, равна нулю. К этому моменту времени завершается полный отбор энергии из линий 10 и 11. В линию 4 пойдет волна напряжения -3V₀/2. К выходу генератора приходят две волны напряжения: по линии 12 - волна а по линии 13 - волна 3V₀/2. В результате напряжение на нагрузке становится равным в линию 12 отразится волна напряжения V₀/2, а в линию 13 - волна - V₀/2. В момент времени t = 5T₀ происходит следующее. К месту соединения линий 3 и 12 приходят две волны напряжения: по линии 3 - волна а по линии 12 - волна V₀/2. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волны, отраженной в линию 3, равна нулю. К этому моменту времени завершается полный отбор энергии из линии 3. В линию 12 пойдет волна напряжения К месту соединения линий 4 и 13 приходят две волны напряжения: по линии 4 - волна - 3V₀/2, а по линии 13 - волна -V₀/2. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волны, отраженной в линию 4, равна нулю. К этому моменту времени завершается полный отбор энергии из линий 10, 11, 4. В линию 13 пойдет волна напряжения - V₀. В момент времени к выходу генератора приходят две волны: по линии 12 - волна напряжения а по линии 13 - волна - V₀. Напряжение на нагрузке 14 становится равным нулю. Амплитуда волн, отраженных в линии 12 и 13, также равна нулю. К этому моменту времени завершен полный отбор энергии из генератора. Энергия, переданная в течение импульса-меандра в согласованную нагрузку 14

равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе

Предлагаемый генератор, как и генератор-прототип позволяет в идеальном случае полностью передать запасенную в генераторе энергию в согласованную нагрузку при формировании на ней симметричного двуполярного импульса напряжения. Амплитуда напряжения по сравнению с генератором-прототипом повышается в раза.

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 [3 - 5].

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

Источники информации, принятые во внимание:
1. Павловский А.И. и др. Безжелезные линейные индукционные ускорители. М., Атомная энергия, т. 37, вып. 3, 1974, с. 228, рис. 3 (аналог).

2. Смит Я. Линейные индукционные ускорители с ускоряющими устройствами на основе формирующих линий с импульсным питанием от внешнего источника. - ПНИ N 6, 1976, с. 37 - 43, рис. 3 (прототип).

3. 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 Patricle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25 - 29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V. 1. PP. 505 - 510.

4. 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. 940 - 912.

5. 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 ступенчатую линию, выполненную в виде двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, 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, подключенную к концам заземленного электрода, отличающийся тем, что между выходом второго отрезка ступенчатой линии и нагрузкой включен образованный продолжением концов заземленного электрода ступенчатой линии дополнительный отрезок линии, электрическая длина которого равна электрической длине T₀, во внутреннем объеме дополнительного и первого отрезков размещены дополнительные высоковольтные электроды, разделяющие каждый из отрезков на две однородные линии и соединенные с высоковольтным электродом второго отрезка ступенчатой линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений

где волновые сопротивления линий с разрядником и без разрядника соответственно в первом отрезке ступенчатой линии;
волновые сопротивления линий с разрядником и без разрядника соответственно во втором отрезке ступенчатой линии;
Z₃ - волновое сопротивление линии в дополнительном отрезке, соединенной с линией с волновым сопротивлением Z₂;
волновое сопротивление линии в дополнительном отрезке, соединенной с линией с волновым сопротивлением

РИСУНКИ

Рисунок 1