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 ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T_о. Во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии (СЛ) размещен высоковольтный электрод, разделяющий этот отрезок на две однородные линии. На выходе СЛ подключены соединенные параллельно нагрузка и прерыватель тока. Между высоковольтным и заземленным электродами включен источник напряжения. В разрыв заземленного электрода в любом месте включены соединенные параллельно источник тока и 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 T_о. На другом конце дополнительной линии включен коммутирующий разрядник. В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке формируется прямоугольный импульс напряжения с длительностью, равной удвоенному времени пробега электромагнитной волны по длине отдельного отрезка ступенчатой линии. 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 с).

Известен генератор высоковольтных импульсов [1, fig. 3б], содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины ₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме второго отрезка СЛ и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, резистивную нагрузку, подключенную к выходу СЛ последовательно с предымпульсным разрядником. 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 коммутирующего 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; Z₁=Z_n·4/[n(n+2)], а волновых сопротивлений отрезков, образованных высоковольтным электродом во втором отрезке СЛ: - с разрядником Z₂=Z_n·2/[(n-1)(3n-2)], - без разрадника В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании предымпульсного 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 V₀·3/4.

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

Кроме того, недостатком 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.

В качестве прототипа выбран генератор [2] , содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую 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 и резистивная нагрузка. Во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод, разделяющий второй отрезок СЛ на две однородные линии. Между высоковольтным и заземленным электродами включены источник напряжения и коммутирующий разрядник, причем разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ. В разрыв заземленного электрода в любом месте включены параллельно соединенные источник тока и разрядник. Волновое сопротивление первого отрезка СЛ выбирается равным

а 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 с номерами i=3,4,...,n выбраны из соотношения

где 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

Под действием источника напряжения осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости двух отрезков с волновыми сопротивлениями Z₂ и . Энергия запасается в указанных отрезках в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным электродом и прерывателем тока, создается ток I₀ и энергия запасается дополнительно во всем объеме СЛ в виде магнитного поля. Схема генератора, волновые сопротивления, зарядное напряжение и начальный ток подобраны таким образом, что при включении коммутирующего разрядника вся первоначально запасенная энергия концентрируется на выходе генератора. При срабатывании прерывателя тока в момент прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника на согласованной нагрузке формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого энергия полностью передается в нагрузку. Предымпульсное напряжение на нагрузке отсутствует. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в (2α+2n-3)/(2α) раз.

Недостатком прототипа является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное в согласованном режиме V₀(2α+2n-3)/(2α) и V₀(2α+2n-3)/α 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 короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде 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, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, подключенные параллельно на выходе СЛ нагрузку и прерыватель тока, включенные в любом месте в разрыв заземленного электрода, соединенные параллельно источник тока и разрядник, снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине T₀, 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 Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии;
Z₂, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением 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,
α- отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀=Z·(3n+3α-4)/2.

Включение в состав генератора дополнительной линии, изменение положения коммутирующего разрядника, а также указанный оптимальный выбор волновых сопротивлений и отношения величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе 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 - 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; 8 - источник напряжения; 9 - дополнительная однородная линия; 10 - коммутирующий 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 T₀. На выходе ступенчатой линии подключены параллельно соединенные прерыватель тока 2 и резистивная нагрузка 3. Во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 4, делящий этот отрезок СЛ на две однородные линии 6 и 7 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₂ и Между высоковольтным 4 и заземленным 1 электродами включены источник напряжения 8, а также в месте соединения первого и второго отрезков СЛ со стороны линии 6 один из концов дополнительной однородной линии 9, электрическая длина которой равна электрической длине T₀. На другом конце дополнительной линии 9 включен коммутирующий разрядник 10. В разрыв заземленного электрода 1 в любом месте включены параллельно соединенные источник тока 11 и разрядник 12. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений




где Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии;
Z₂, волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением 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,
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным
V₀/I₀=Z·(3n+3α-4)/2.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 8 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости, отрезков 6 и 7 и дополнительной линии 9, в которых энергия запасается в виде электрического поля. Одновременно под действием источника тока 11 в первоначально замкнутом контуре, образованном заземленным 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 указанным выше уравнением. (Полярность напряжения V₀ и направление тока I₀ выбираются таким образом, чтобы после прихода электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 10 в линии 5 происходило уменьшение тока). Величины V₀ и I₀ определяются и фиксируются до начала зарядки генератора путем выбора соответствующих источников напряжения или тока либо путем предварительного регулирования выходных параметров этих источников. При достижении максимального тока I₀ и максимального зарядного напряжения V₀ включается коммутирующий разрядник. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. (Разрядник 12, отсоединяющий источник тока 11 от ступенчатой линии, включается после достижения максимального тока I₀ до прихода к нему первой электромагнитной волны от коммутирующего разрядника 10, например, в момент времени t = 0). При включении коммутирующего разрядника 10 по дополнительной линии 9 будет распространяться волна разрядки - V₀, после прохождения которой напряжение в дополнительной линии становится равным нулю. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом чертеже направлен в СЛ снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево. В момент времени t = T₀ эта волна приходит к месту соединения дополнительной линии с линиями 5, 6 и 7. В результате в дополнительную линию 9 отразится волна напряжения - V₀/2, а по линиям 5, 6 и 7 будут распространяться волны напряжения -V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-1)],-3V₀/2 и V₀/[2(n+α-1)] соответственно.

В момент времени t= 2T₀ происходит следующее. Волна напряжения -V₀/2, распространяющаяся по дополнительной линии 9, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 10 и отражается от него без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. После прохождения отраженной волны напряжение и ток в дополнительной линии 9 становятся равными нулю. Волна -V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-1)], распространяющаяся по первому отрезку СЛ 5, также отражается от короткозамкнутого конца без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. После прохождения отраженной волны напряжение в этом отрезке становится равным нулю. Кроме того, в результате прохождения волн в первом отрезке СЛ возникает ток, равный по величине, но противоположный по полярности начальному току I₀, созданному источником 11. Т.е. суммарный ток в отрезке 5 становится равным нулю. Таким образом, после прохождения волн из линии 5 отбирается полностью не только электрическая, но и магнитная энергия. В этот же момент времени к месту соединения линий 6, 7 и третьего отрезка СЛ 13 приходят две волны: -3V₀/2 по линии 6 и V₀/[2(n+α-1)] по линии 7. В результате суперпозиции волн в месте соединения линий с разными волновыми сопротивлениями по линии 6 в сторону дополнительной линии пойдет волна -V₀(n+α)/[2(n+α-2)], по линии 7 - волна V₀(n+α-2)/[2(n+α-1)], а в третий отрезок СЛ пройдет -V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-2)].
В момент времени t = 3T₀ к месту соединения линий 5, 6, 7 и 9 приходят четыре волны: по линии 5 - волна V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-1)], по линии 6 - волна -V₀·(n+α)/[2(n+α-2)], по линии 7 - волна V₀(n+α-2)/[2(n+α-1)] и по линии 9 - волна V₀/2. В результате суперпозиции суммарная амплитуда волн напряжения, отраженных и прошедших в линии 5 и 9, равны нулю. Кроме того, напряжение и полный ток в каждой из указанных линий также становятся равными нулю. Т.е. к моменту времени t = 3T₀ завершается процесс полного отбора энергии из линий 5 и 9. В линию 6 в результате суперпозиции пойдет волна напряжения ₀·(n+α-1)/(n+α-2), а в линию 7 - волна V₀/2, обнуляющие в них как напряжение, так и полный ток. Т.е. начинается процесс полного отбора энергии из этих линий. В этот же момент времени волна -V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-2)], распространяющаяся по третьему отрезку СЛ, достигает места ее соединения с четвертым отрезком СЛ. В результате в третий отрезок СЛ отразится волна напряжения -V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-2)(n+α-3)], а в четвертый отрезок СЛ пройдет волна -V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-3)].
В момент времени t = 4T₀ к месту соединения линий 6, 7 и третьего отрезка СЛ 13 приходят три волны: V₀·(n+α-1)/(n+α-2) по линии 6, V₀/2 по линии 7 и -V₀(3n+3α-4)/[2(n+α-2)(n+α-3)] по третьему отрезку 13. Суммарная амплитуда волн, отраженных и прошедших в линии 6 и 7, равна нулю, а в третий отрезок СЛ пойдет волна V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-3)]. К этому моменту времени завершается процесс полного отбора энергии из линий 6 и 7. Отбор энергии из остальных отрезков СЛ осуществляется аналогичным образом - первая электромагнитная волна начинает отбор энергии, а завершает этот процесс волна, приходящая со стороны разрядника 10 с задержкой на время 2T₀. В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии без высоковольтного электрода (i ≥ 3) только первой электромагнитной волны. В момент времени t = 2T₀ в линию 13 с волновым сопротивлением Z₃ побежит волна напряжения -V₀·(3n+3α-4)/[2(n+α-2)]. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии с разными волновыми сопротивлениями волна будет изменять свою амплитуду. В интервале времени iT₀ - (i+1)T₀ волна будет распространяться по отрезку СЛ с номером i и ее амплитуда V₁ⁱ будет равна

В момент времени t = nT₀, 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 = nT₀, равна

и остается постоянной в интервале времени nT₀ - (n + 2)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 с амплитудой V₀·(3n+3α-4)/(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; электрическая емкость и индуктивность линий с соответствующими волновыми сопротивлениями.

Следовательно, к моменту времени t=(n+ 2)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 3, 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 формируется импульс напряжения прямоугольной формы с амплитудой V₀·(3n+3α-4)/(2α), что превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа в 3/2+1/[2(2n + 2α - 3)] раз. Так как в рассматриваемом генераторе число отрезков n не может быть выбрано меньше 2, а α > 0, то выигрыш по напряжению составляет не менее 1,5 раз. 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 [3-7].

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. 1, PP. 511-516 (аналог - стр. 513, fig. 3b).

2. Патент на изобретение N 2121218. Генератор высоковольтных импульсов./ Гордеев B. C., Босамыкин B.C. - N 96112923; Заявлено 20.06.96; Опубликовано 27.10.98., Бюл. N 30.

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 Particle 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. 910-912.

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.

6. B.C. Босамыкин, B.C. Гордеев, В.Ф. Басманов, В.О. Филиппов, Г.А. Мысков и др. Линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-10М с индукторами на ступенчатых линиях. // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -1997. - Вып. 4, 5 (31, 32). С. 117-119.

7. Инжектор ускорителя ЛИУ-10М. // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -1997. -Вып. 4, 5 (31, 32). С. 120-122.

Формула изобретения

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами с одинаковым временем задержки T_o, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме второго отрезка ступенчатой линии и разделяющий его на две однородные линии с волновыми сопротивлениями Z₂ и источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, подключенные параллельно на выходе ступенчатой линии нагрузку и прерыватель тока, включенные в любом месте в разрыв заземленного электрода соединенные параллельно источник тока и разрядник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной однородной линией с временем задержки T_o, один из концов дополнительной однородной линии подключен к концу однородной линии с волновым сопротивлением Z₂, между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной однородной линии, волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:




где Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка ступенчатой линии;
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 однородной линии,
α - отношение энергии, запасаемой первоначально в генераторе в виде электрического и магнитного поля;
а отношение величины зарядного напряжения к величине начального тока в генераторе выбрано равным V_o/l_o= Z·(3n+3α-4)/2.

РИСУНКИ

Рисунок 1