Генератор высоковольтных импульсов
Владельцы патента RU 2250559:
Российская Федерация в лице Министерства по атомной энергии - Минатома РФ (RU)
Российская Федерация в лице Федерального государственного унитарного предприятия - Российского федерального ядерного центра - Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики - ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (RU)
Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено для создания генераторов субмикросекундных высоковольтных импульсов. Сущность: в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем пару проводящих прямолинейных лент, одна из которых заземлена, а другая имеет возможность подключения к источнику постоянного напряжения, и пару изоляционных прямолинейных лент, первой и второй, причем все ленты наложены параллельно и поочередно друг на друга в стопку согласно последовательности: “заземленная проводящая лента; первая изоляционная лента; имеющая возможность подключения к источнику постоянного напряжения проводящая лента; вторая изоляционная лента”, и стопка лент уложена в геликоид, содержащий не менее двух оборотов, так, что образуется пара полосковых линий, у каждой из которых оба конца открыты, но в одной из полосковых линий на конце или в середине ее установлен управляемый разрядник, в отличие от прототипа введена дополнительная проводящая заземленная прямолинейная лента, наложенная на вторую изоляционную ленту в конце указанной последовательности, а полученная стопка лент уложена в геликоид путем перегибаний всей стопки так, чтобы на каждый оборот геликоида приходилось одинаковое четное число перегибаний. Технический результат изобретения - увеличение кпд генератора за счет изготовления его из единых отрезков проводящих и изолирующих лент при сохранении геликоидальной формы. 4 ил.
Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено для создания генераторов субмикросекундных высоковольтных импульсов.
Известен генератор высоковольтных импульсов [1], содержащий пару проводящих прямолинейных лент, одна из которых заземлена, а другая подключаема к источнику постоянного напряжения, и пару изоляционных прямолинейных лент, первой и второй, причем все ленты наложены параллельно и поочередно друг на друга в стопку согласно последовательности: “заземленная проводящая лента; первая изоляционная лента; подключаемая к источнику постоянного напряжения проводящая лента; вторая изоляционная лента”, и стопка лент свернута в рулон так, что образуется пара полосковых линий в виде вложенных друг в друга спиралей Архимеда. Обе полосковые линии с двух концов открыты, а к концу одной из линий подключен управляемый разрядник. Полосковая линия, к которой подключен разрядник, называют обычно активной полосковой линией, другую линию называют пассивной полосковой линией. Согласно [2], управляемый разрядник также может быть подключен не к концу, а к середине одной из полосковых линий. Известный генератор [1], взятый нами в качестве аналога, называется спиральным генератором высоковольтных импульсов.
Работает известный спиральный генератор высоковольтных импульсов следующим образом. Сначала к незаземленной проводящей ленте подключают источник постоянного напряжения и производят зарядку полосковых линий до номинального напряжения U0 источника. Затем источник постоянного напряжения отключают. Так как электрическое поле в смежных линиях на этой стадии направлены в противоположные стороны, то суммарное напряжение вдоль радиуса спиралей равно нулю. После срабатывания разрядника происходит волновая разрядка активной линии, в то время как пассивная линия остается заряженной. В момент окончания разрядки активной линии напряжение вдоль радиуса спиралей определяется электрическим полем лишь пассивной линии и становится равным nU0 (n - число оборотов в спиралях). Далее волна разрядки отражается от открытых концов активной линии, инвертируясь при этом и производя перезарядку линии. В момент окончания перезарядки активной линии, когда электрическое поле в обеих линиях становятся сонаправленным, суммарное напряжение вдоль радиуса спиралей становится равным без учета потерь 2nU0. Таким образом, спиральный генератор вырабатывает высоковольтный импульс треугольной формы, приложенный вдоль радиуса спирали. Подключение управляемого разрядника к середине активной линии укорачивает импульс напряжения вдвое по сравнению со случаем подключения разрядника к концу линии.
Недостатком известного спирального генератора [1] является неоднородность распределения напряжения вдоль линий, что приводит к потерям его электрической энергии.
Наиболее близким является генератор высоковольтных импульсов [3], содержащий пару проводящих лент, одна из которых заземлена, а другая подключаема к источнику постоянного напряжения, и пару изоляционных лент, первой и второй, причем все ленты наложены поочередно друг на друга в стопку согласно последовательности: “заземленная проводящая лента; первая изоляционная лента; подключаемая к источнику постоянного напряжения проводящая лента; вторая изоляционная лента”, и стопка лент свернута в спиральный цилиндрический коноид (геликоид) так, что образуется пара полосковых линий в виде вложенных друг в друга геликоидальных спиралей. Обе полосковые линии с двух концов открыты, а к концу одной из линий подключен управляемый разрядник. Принцип работы этого генератора, выбранного нами за прототип, аналогичен.
Несмотря на его явные преимущества по сравнению с генератором [1], такие как однородность полосковых линий вдоль всей длины, возможность аксиальной компоновки нагрузки и др., он имеет один важный недостаток, который связан с особенностями геометрии геликоида. А именно, многооборотный геликоид нельзя выполнить из единого куска плоской ленты. Поэтому, реализованный в [4] генератор на основе решения [3], был выполнен следующим образом. Каждая проводящая лента делалась из медных плоских колец, разрезанных в радиальном направлении и припаянных последовательно друг к другу внахлест. Ленты изолировались друг от друга полиэтиленовыми лентами, выполненными также из колец и разрезанными по радиусу. Таким образом, полосковые линии имели на каждом обороте геликоида ступеньку, сравнимую с толщиной изоляции, и, следовательно, скачок волнового сопротивления. Это привело к множественным переотражениям волны перезарядки в активной полосковой линии при работе генератора и к резкому снижению его кпд.
Задачей изобретения являлось повышение кпд генератора высоковольтных импульсов.
Технический результат изобретения - увеличение кпд генератора за счет изготовления его из единых отрезков проводящих и изолирующих лент при сохранении геликоидальной формы.
Этот результат достигается за счет того, в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем пару проводящих прямолинейных лент, одна из которых заземлена, а другая имеет возможность подключения к источнику постоянного напряжения, и пару изоляционных прямолинейных лент, первой и второй, причем все ленты наложены параллельно и поочередно друг на друга в стопку согласно последовательности: “заземленная проводящая лента; первая изоляционная лента; имеющая возможность подключения к источнику постоянного напряжения проводящая лента; вторая изоляционная лента”, и стопка лент уложена в геликоид, содержащий не менее двух оборотов, так, что образуется пара полосковых линий, у каждой из которых
оба конца открыты, но в одной из полосковых линий на конце или в середине ее установлен управляемый разрядник, в отличие от прототипа введена дополнительная проводящая заземленная прямолинейная лента, наложенная на вторую изоляционную ленту в конце указанной последовательности, а полученная стопка лент уложена в геликоид путем перегибаний всей стопки так, чтобы на каждый оборот геликоида приходилось одинаковое четное число перегибаний.
Легко видеть, что в соответствии с данным решением весь геликоид можно выполнить из единых плоских лент без разрезании и склеивании внахлест.
Для исключения дополнительных потерь на краях лент при перегибаниях в конструкцию генератора необходимо ввести дополнительную проводящую заземленную прямолинейную ленту и наложить ее на вторую изоляционную ленту.
Четное количество перегибаний на каждом обороте геликоида необходимо для того, чтобы стопка лент укладывалась в такую форму, при которой смежные участки витков ориентированы одинаково. Это позволяет просуммировать электрические поля в каждой линии после завершения перезарядки активной полосковой линии.
Так как перегибание стопки можно выполнить практически без скачка волнового сопротивления, то множественные переотражения волны перезарядки активной полосковой линии, как это имеет место в генераторе-прототипе, здесь не возникают. Этим достигается высокий кпд предлагаемого генератора.
На фиг.1 показано поперечное сечение стопки лент, из которой укладывается геликоид.
На фиг.2 показан пример внешнего вида одного оборота геликоида с 4-мя перегибаниями стопки лент.
На фиг.3 показан пример внешнего вида одного оборота геликоида с 8-ью перегибаниями стопки лент.
На фиг.4 показан еще один пример внешнего вида одного оборота геликоида с 8-ью перегибаниями стопки лент.
На фиг.1 обозначено: 1 - первая изоляционная лента; 2 - вторая изоляционная лента; 3 - заземленная проводящая лента; 4 - имеющая возможность подключения к источнику постоянного напряжения проводящая лента; 5 - дополнительная заземленная проводящая лента. Источник постоянного напряжения и управляемый разрядник на фиг.1-4 не показаны.
Проводящие ленты 3-5 шириной 10...20 мм могут быть выполнены, например, из медной фольги толщиной 50...200 мкм, изоляционные ленты 1-2 - из фторопластовой ленты толщиной 50...200 мкм. Ширина изоляционных лент 1-2 выбирается на 5...15 мм большей ширины проводящих лент 3-5.
Ленты накладываются параллельно и поочередно друг на друга в стопку согласно последовательности: “заземленная проводящая лента 3; первая изоляционная лента 1; имеющая возможность подключения к источнику постоянного напряжения проводящая лента 4; вторая изоляционная лента 2; дополнительная заземленная проводящая лента 5”. Ленты накладываются друг на друга так, чтобы края изоляционных лент 1-2 выступали с обоих краев проводящих лент 3-5, как это показано на фиг.1. Это позволит обеспечить достаточную электрическую прочность генератора на краях стопки лент.
Далее стопка лент 1-5 укладывается в геликоид, содержащий не менее двух оборотов, путем перегибаний всей стопки так, чтобы на каждый оборот геликоида приходилось одинаковое четное число перегибаний. Примеры последовательности перегибаний в пределах одного оборота геликоида показаны на фиг.2-4. При этом каждый оборот геликоида может иметь форму 2N-угольника, например, 4-угольника (фиг.2 и 3) или 8-угольника (фиг.4).
После укладки геликоида внутри его образуется пара полосковых линий, у каждой из которых оба конца открыты. К любому концу одной из полосковых линий, например к концу лент 3 и 4, подключается управляемый разрядник любого типа.
Работает предлагаемый генератор следующим образом. Сначала к проводящей ленте 4 в любом ее месте подключают источник постоянного напряжения любого типа и заряжают ее до требуемого напряжения U0. После завершения зарядки источник отключают.
Далее подают управляющий сигнал на разрядник. После срабатывания разрядника по активной полосковой линии, образованной лентами 3, 1 и 4, бежит волна перезарядки линии. Эта волна сначала разряжает линию, а затем, отразившись от ее открытого конца, заряжает его напряжением другой полярности. В момент окончания перезарядки активной линии, когда электрическое поле в обеих линиях становятся сонаправленным, суммарное напряжение вдоль стопки геликоида становится равным 2nU0. Таким образом, спиральный генератор вырабатывает высоковольтный импульс треугольной формы, приложенный вдоль стопки геликоида.
Так как перегибание стопки выполнено без скачка волнового сопротивления, то множественные переотражения волны перезарядки активной полосковой линии, как это имеет место в генераторе-прототипе, здесь не возникают. Этим достигается высокий кпд предлагаемого генератора (до 90%).
Источники информации
1. Герасимов А.Б., Ройфе ИМ., Середенко Е.В., Стекольников Б.А. Спиральный генератор импульсного напряжения, ПТЭ, 1970, №3, с.163-165.
2. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике, Новосибирск: Наука, 1987.
3. Козлов М.И. Импульсный генератор тока, а.с. 364081, Н 03 К 3/53, опубл. БИ №4, 1973.
4. Козлов М.И. Высоковольтный импульсный генератор, ПТЭ, 1973, №5, с.106-108.
Генератор высоковольтных импульсов, содержащий пару проводящих прямолинейных лент, одна из которых заземлена, а другая имеет возможность подключения к источнику постоянного напряжения, и пару изоляционных прямолинейных лент, первую и вторую, причем все ленты наложены параллельно и поочередно друг на друга в стопку согласно последовательности: заземленная проводящая лента; первая изоляционная лента; имеющая возможность подключения к источнику постоянного напряжения проводящая лента; вторая изоляционная лента, и стопка лент уложена в геликоид, содержащий не менее двух оборотов, так, что образуется пара полосковых линий, у каждой из которых оба конца открыты, но в одной из полосковых линий на конце или в середине ее установлен управляемый разрядник, отличающийся тем, что введена дополнительная проводящая заземленная прямолинейная лента, наложенная на вторую изоляционную ленту в конце указанной последовательности, а полученная стопка лент уложена в геликоид путем перегибаний всей стопки так, чтобы на каждый оборот геликоида приходилось одинаковое четное число перегибаний.
