Генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности

 

Изобретение относится к области сильноточной высоковольтной электроники и может использоваться, например, для накачки лазеров на самоограниченных переходах. Достигаемый технический результат - получение высоковольтных импульсов наносекундной длительности с частотой следования до 20 кГц и стабильными параметрами. Генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности состоит из модулятора с полным разрядом накопителя энергии, в качестве которого используется водородный тиратрон, и длинной обостряющей газоразрядной трубки, помещенной в металлический экран и образующей с экраном коаксиальную систему с волновым сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки, при этом упомянутая трубка включена между накопителем энергии и нагрузкой. 2 ил.

Изобретение относится к области сильноточной высоковольтной электроники, в частности к генерированию импульсов большой мощности наносекундной длительности, например, для накачки лазеров на самоограниченных переходах, для увеличения разрешающей способности радиолокационных систем и т.п.

Формирование высоковольтных импульсов наносекундной длительности является сложной технической задачей. В настоящее время сложились два основных направления генерирования подобных импульсов с использованием:

- генераторов на ударных магнитных линиях [1];

- генераторов на газоразрядных приборах [2, 3].

В первом случае используется эффект магнитного сжатия энергии в трансформаторах, выполненных на ферритовых кольцах. Подобные генераторы обладают высокой стабильностью выходных параметров, но низкой частотой повторения импульсов (до 200 Гц), что связанно с большим временем перемагничивания феррита. Подобные системы обладают значительными массогабаритными размерами.

Во втором случае используется передача накопленной энергии через газоразрядный прибор в нагрузку. Для получения импульсов наносекундной длительности с передним фронтом до 5 нс в качестве коммутирующих приборов, в подавляющем большинстве случаев, используются управляемые или неуправляемые разрядники высокого и среднего давления, приборы псевдоискрового разряда. Импульсы, получаемые в подобных системах, обладают невысокой стабильностью и низкой частотой повторения, что связанно с процессами, протекающими в плазме газового разряда. Кроме того, в подобных системах невозможно достигнуть хорошего согласования генератора с нагрузкой, что приводит к снижению КПД и дополнительной нагрузки на генератор.

Известны устройства, в которых формирование высоковольтных импульсов наносекундной длительности осуществляется с помощью волны ионизации [4]. При перемещении от одного электрода к другому во фронте волны ионизации происходит обострение градиента потенциала, что позволяет получать на выходе системы импульсы с обостренным передним фронтом. Однако непременным условием такого обострения выходного импульса является приложение к одному из электродов импульсного напряжения с амплитудой десятки и сотни киловольт и высокой скоростью нарастания напряжения во фронте, что ставит серьезные проблемы формирования подобных импульсов.

Техническая задача состоит в получении высоковольтных импульсов наносекундной длительности с частотой следования до 20 кГц и стабильными параметрами.

Технический результат достигается за счет предварительного формирования импульса напряжения в схеме модулятора с полным разрядом накопителя энергии, в качестве ключа в котором используется тиратрон, и дальнейшим обострением переднего фронта импульса в длинной обостряющей газоразрядной трубке, помещенной в металлический экран. Обязательным условием достижения технического результата является согласование сопротивления нагрузки с волновым сопротивлением коаксиальной системы металлический экран - длинная обостряющая газоразрядная трубка.

Известно, что волны ионизации обостряют выходной импульс [4], причем существуют так называемые медленные и быстрые волны ионизации, скорость распространения которых может достигать 1/3 скорости света в вакууме. Чем выше амплитуда прикладываемого напряжения и скорость его нарастания, тем больше скорость распространения волны ионизации и более сильное обострение выходного импульса.

Модуляторы, в которых в качестве ключа используются тиратроны, обеспечивают импульсы с длительностью переднего фронта, лежащей в диапазоне 15-100 нс. Подача такого импульса на один из электродов длинной трубки приводит к образованию медленных волн ионизации с незначительным обострением выходного импульса.

Для более сильного обострения выходного импульса предлагается поместить длинную обостряющую трубку в металлический экран, который вместе с длинной трубкой образует коаксиальную систему с волновым сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки.

Проведенные исследования [5] показали, что максимальное обострение импульса напряжения происходит на расстоянии не менее 6 диаметров трубки, а максимальная скорость распространения волны и минимальные потери мощности - при давлении газа в трубке, соответствующем минимуму напряжения возникновения разряда на постоянном токе. Этот критерий и условие согласования длинной обостряющей трубки с нагрузкой позволяют определить геометрические размеры и давление наполняющего газа в обострителе импульсов.

Структурная схема генератора наносекундных импульсов и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на фиг.1 и фиг.2.

Тиратрон 1 (фиг.1) включен в схему линейного модулятора с полным разрядом накопителя энергии. Для заряда накопителя энергии 2 используется источник высоковольтного напряжения 3 и зарядный диод VD1. Запуск тиратрона осуществляется от подмодулятора 4. Параллельно зарядному диоду подключены длинная обостряющая газоразрядная трубка 5 (в эксперименте диаметром 30 мм и длинной 400 мм с межэлектродным расстоянием 360 мм) и нагрузка R. В качестве рабочей среды использовался аргон с давлением в объеме 500 Па. Для согласования с нагрузкой R разрядная трубка помещается в металлический экран 6.

Использование предлагаемого генератора высоковольтных наносекундных импульсов обеспечивает по сравнению с существующими устройствами:

- более быстрое подключение нагрузки к источнику питания и, как следствие, увеличение КПД,

- увеличение частоты следования импульсов,

- уменьшение нестабильности временных характеристик.

Литература

1. Катаев И.Г. Ударные электромагнитные волны. М.: Сов. радио. 1968. 151 с.

2. Киселев Ю.В., Черепанов В.П. Искровые разрядники. М.: Сов. радио. 1976. 70 с.

3. Ворончев Т.А. Импульсные тиратроны. М.: Сов. радио. 1958. 164 с.

4. Лагарьков А.Н., Руткевич И.М. Волны электрического пробоя в ограниченной плазме. М.: Наука, 1989. с.131.

5. Юдаев Ю.А. Волны ионизации и их использование для управления быстродействующими газоразрядными коммутаторами: Автореф. дис ... канд. техн. наук. Рязань: РГРТА. 1994. 16 с.

Формула изобретения

Генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности, состоящий из модулятора с полным разрядом накопителя энергии, в качестве ключевого элемента в котором используется водородный тиратрон, и длинной обостряющей газоразрядной трубки, помещенной в металлический экран и образующей с экраном коаксиальную систему с волновым сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки, подключенной параллельно зарядному диоду и нагрузке, отличающийся тем, что длинная обостряющая трубка включена между накопителем энергии и нагрузкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2