Устройство для формирования субнаносекундных импульсов



Устройство для формирования субнаносекундных импульсов
Устройство для формирования субнаносекундных импульсов
Устройство для формирования субнаносекундных импульсов
Устройство для формирования субнаносекундных импульсов
Устройство для формирования субнаносекундных импульсов
H03K3/537 - Импульсная техника (измерение импульсных характеристик G01R; механические счетчики с электрическим входом G06M; устройства для накопления /хранения/ информации вообще G11; устройства хранения и выборки информации в электрических аналоговых запоминающих устройствах G11C 27/02; конструкция переключателей для генерации импульсов путем замыкания и размыкания контактов, например с использованием подвижных магнитов, H01H; статическое преобразование электрической энергии H02M;генерирование колебаний с помощью схем, содержащих активные элементы, работающие в некоммутационном режиме, H03B; импульсная модуляция колебаний синусоидальной формы H03C;H04L ; схемы дискриминаторов с подсчетом импульсов H03D;

Владельцы патента RU 2292112:

Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра" (RU)

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для создания субнаносекундных импульсов в локационных системах, ускорителях заряженных частиц, лазерах. Достигаемый технический результат - уменьшение длительности фронта субнаносекундных импульсов. Устройство содержит зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию, два коммутатора-обострителя, высокоомную формирующую линию, выходную формирующую линию, передающую линию, при этом на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для создания субнаносекундных импульсов, например, в локационных системах, в ускорителях заряженных частиц, лазерах.

Известны устройства для формирования высоковольтных импульсов напряжения и тока, в которых формирование импульсов с наносекундной длительностью достигается путем использования малоиндуктивных конденсаторов и коммутаторов-обострителей, подключенных к выходу генераторов импульсных напряжений (ГИН) Аркадьева-Маркса [1].

При срабатывании ГИН на его выходе появляется импульс напряжения, амплитуда которого близка к величине n·Ucm, где n - количество ступеней ГИН, Ucm - зарядное напряжение ступени ГИН. Этот импульс прикладывается к малоиндуктивному конденсатору, подключенному на выходе ГИН, конденсатор заряжается. В определенный момент времени, когда амплитуда импульса напряжения на конденсаторе будет близка к n·Ucm, пробивается коммутатор-обостритель и малоиндуктивный конденсатор начинает разряжаться на нагрузку. Электрическая емкость этого конденсатора подобрана таким образом, чтобы запасаемой энергии было достаточно для формирования фронта импульса и его амплитуды. Остальная часть импульса формируется за счет энергии, запасаемой в накопительных конденсаторах ГИН. Так как время коммутации коммутатора-обострителя мало, а индуктивность разрядного контура: малоиндуктивный конденсатор - конденсатор-обостритель - нагрузка достаточно низкая, на нагрузке формируется высоковольтный импульс с коротким (наносекундным) фронтом. Происходит своеобразная компенсация большой индуктивности ГИН в течение времени формирования фронта импульса.

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая скорость срабатывания коммутатора-обострителя из-за небольших перенапряжений на нем. При формировании импульсов с субнаносекундными фронтами для увеличения скорости коммутации коммутаторов применяют две и более ступени обострения импульсов.

Известно устройство для формирования высоковольтных наносекундных импульсов [2], содержащее первичный накопитель энергии - импульсный трансформатор, первую формирующую линию (ФЛ), первый коммутатор-обостритель, вторую ФЛ, второй коммутатор-обостритель, передающую линию (ПЛ), нагрузку.

Работает устройство следующим образом. После срабатывания импульсного трансформатора происходит зарядка первой ФЛ и последующий пробой первого коммутатора-обострителя. Первая ФЛ разряжается на вторую ФЛ в течение единиц-десятков наносекунд, и на втором коммутаторе-обострителе из-за быстрого нарастания напряжения возникает сильное перенапряжение. В результате второй коммутатор-обостритель срабатывает за доли наносекунд. ПЛ без искажения передает импульс к нагрузке, на которой формируется импульс с фронтом в доли наносекунд. Длительность импульса определяется электрическими длинами формирующих линий.

Недостатком данного устройства является то, что при больших уровнях напряжений (от сотен киловольт до мегавольт) изоляционные расстояния в коаксиальной конструкции коммутатора-обострителя существенно влияют на время коммутации второго коммутатора-обострителя и приводят к увеличению длительности фронтов и ширины импульсов из-за влияния индуктивности, так называемой петли коммутации импульсов.

Известно устройство для формирования пикосекундных импульсов напряжения [3], где значительная компенсация индуктивности петли коммутации достигается за счет конического сужения электродов коммутатора-обострителя и внешней оболочки коаксиальной ФЛ в устройстве. Описанное устройство содержит первичный накопитель энергии - импульсный трансформатор, ФЛ, первый коммутатор-обостритель, трансформирующую линию (ТФЛ), соединенную с накопительной формирующей линией (НФЛ), второй коммутатор-обостритель, ПЛ, нагрузку.

При подаче управляющего сигнала включается первичный источник энергии (импульсный трансформатор), происходит зарядка первой ФЛ и последующий пробой первого коммутатора-обострителя и разряд первой ФЛ на ТФЛ, соединенную с НФЛ. После нарастания на НФЛ напряжения, близкого к максимуму, пробивается второй коммутатор-обостритель и по ПЛ к нагрузке распространяется импульс с коротким фронтом. Так как индуктивность искры достаточно велика из-за ее малого (доли миллиметра) диаметра, в зоне искрового промежутка образуется неоднородность из-за скачка волнового сопротивления Zискр, равного согласно [4]

где ε - диэлектрическая проницаемость рабочей среды коммутатора-обострителя,

D - диаметр разрядной камеры,

du - диаметр искры.

Плавные сужения внутренних и внешних проводников коммутатора-обострителя позволяют улучшить согласование первой НФЛ с ПФЛ и уменьшить конструктивную индуктивность элементов электродной системы в разрядной цепи путем уменьшения разницы в диаметрах искры и электродов второго коммутатора-обострителя.

Недостатком данного устройства является то, что дальнейшее уменьшение длительности фронта импульса ограничивается достаточно большой конструктивной индуктивностью емкости конической НФЛ в разрядной цепи.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение длительности фронта субнаносекундных импульсов.

Техническим результатом является обеспечение более эффективной передачи энергии к нагрузке в технике формирования субнаносекундных импульсов.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов, содержащем зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой стороны - с первым коммутатором-обострителем, соединенным через высокоомную ФЛ с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, который через второй коммутатор-обостритель соединен с высоковольтным токопроводом передающей линии (ПЛ), подключенной на выходе к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом формирующих линий и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним.

Дополнительный электрод может быть выполнен в виде полого цилиндра.

Дополнительный электрод может быть выполнен в виде полого усеченного конуса.

Второй электрод второго коммутатора-обострителя может быть выполнен расположенным в полости дополнительного электрода.

Длина дополнительного электрода может быть определена из условия

где tфо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;

v - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.

Установка дополнительного электрода на первом электроде второго коммутатора-обострителя вызывает образование двух дополнительных электрических емкостей с малой конструктивной индуктивностью за счет уменьшения петли разряда вследствие выбора оптимальных размеров разрядных контуров, образованных емкостью С3 между дополнительным электродом и внешним токопроводом, емкостью C4 между дополнительным электродом и вторым электродом второго коммутатора-обострителя, каналом искры и нагрузкой. В момент коммутации дополнительный электрод совместно с искровым каналом образует минимально возможный по размерам и, соответственно, по индуктивности колебательный контур, что позволяет увеличить скорость роста тока через искровой канал после его образования. Это в свою очередь ведет к увеличению скорости нарастания напряжения в ПЛ и на нагрузке. Быстрые электромагнитные процессы в этом контуре позволяют уменьшить длительность фронта импульса тока за счет энергии, накопленной в емкостях С4 и С3. Время пробега электромагнитной волны t0 по поверхности дополнительного электрода определяется по формуле:

где lо - общая длина пробега волны;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде.

Так как волна формируется после пробоя второго коммутатора-обострителя, то общая длина пробега волны lо от точки пробоя (вершины конического электрода) приблизительно составляет:

где l - длина дополнительного электрода;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода, закрепленного на первом электроде второго коммутатора-обострителя.

Соответственно время пробега t0 до конца дополнительного электрода составляет:

где l - длина дополнительного электрода, l=lo-d/2;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода, закрепленного на первом электроде второго коммутатора-обострителя.

Длительность фронта импульса зависит от времени коммутации второго коммутатора-обострителя и времени пробега волны по дополнительному электроду, т.е. длины и диаметра дополнительного электрода. Чистое время коммутации tk коммутатора-обострителя в субнаносекундном диапазоне времени измерить практически невозможно, поэтому в расчетах оно задавалось определенной функцией от tфо. Размеры дополнительного электрода и, соответственно, электрические емкости С3 и С4 должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить достаточный энерговклад для колебательного выброса электромагнитной энергии на вершине импульса тока (напряжения) и увеличения крутизны фронта импульса.

Эксперименты и расчеты показали, что существует определенный диапазон длин дополнительного электрода, при котором длительность фронта импульса в устройстве с дополнительным электродом будет меньше по сравнению с длительностью фронта импульса в устройстве без дополнительного электрода.

Этот диапазон определен следующим образом. Для разных значений давления и разного изоляционного расстояния в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов без дополнительного электрода при помощи делителя напряжения, встроенного в коаксиальную ПЛ, регистрируют импульс напряжения на нагрузке. По осциллограмме определяют длительность фронта импульса tфо (tфо=0,38 нс при давлении 60 атм и межэлектродном расстоянии 4 мм, tфо=0,42 нс при давлении 40 атм и межэлектродном расстоянии 6 мм, tфо=0,48 нс при давлении 30 атм и межэлектродном расстоянии 8 мм). Изменяют длину дополнительного электрода от 5 до 80 мм с шагом в 5 мм. Для каждого шага длины дополнительного электрода расчетным путем определяют значение t0/tфо=lo/νtфо. Для каждой получившейся точки регистрируют импульс напряжения на нагрузке и определяют значение tф для устройства формирования субнаносекундных импульсов с дополнительным электродом. Результат, полученный экспериментально, подтвержден расчетным путем. Получены кривые 1, 2, 3 для разных значений tфо (фиг.4).

Как видно, существует достаточно явно выраженный минимум длительности фронта импульса для разных значений tфо при определенных значениях t0/tфо. Очевидно, что при малых длинах дополнительного электрода l энергии, накопленной в емкостях, образованных дополнительным электродом и токопроводом с нулевым потенциалом С3 и дополнительным электродом и вторым электродом второго коммутатора-обострителя С4, недостаточно, чтобы уменьшить длительность фронта импульса. При больших длинах дополнительного электрода l формирующая линия, образованная дополнительным электродом и основными электродами, не может разрядиться быстрее времени пробега электромагнитной волны по дополнительному электроду. Если это время значительно больше значения tk, происходит удлинение фронта импульса.

Как следует из фиг.4, минимальные значения tф находятся при соотношении t0/lфо в пределах (0,08-0,24),

Отсюда получаем:

t0/tфо=0,08-0,24,

t0=(0,08-0,24)tфо,

учитывая (1) t0=l0/ν,

l0=t0ν,

определяется общая длина пробега волны

Исходя из вышеизложенного, определение оптимального значения длины дополнительного электрода сводится к следующему. По представленной формуле, измерив предварительно длительность фронта импульса в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов без дополнительного электрода, определяют общую длину пробега волны lо. Определяют из (2) длину дополнительного электрода l=lо-d/2, который необходимо установить в коммутатор-обостритель для уменьшения длительности фронта импульса. Диаметр дополнительного электрода d выбирается в основном из соображений обеспечения электрической прочности среды между дополнительным электродом и электродом коммутатора-обострителя, подсоединенным к коаксиальной передающей линии.

Выполнение дополнительного электрода в виде полого цилиндра позволяет наиболее эффективно уменьшить длительность фронта импульса.

Выполнение дополнительного электрода в виде усеченного конуса позволяет усилить его емкостную связь с основными электродами коммутатора-обострителя и увеличить крутизну импульса.

Выполнение второго электрода второго коммутатора-обострителя расположенным в полости дополнительного электрода позволяет наиболее оптимально обеспечить уменьшение длительности фронта импульсов за счет уменьшения волнового сопротивления в канале разряда.

На фиг.1 представлена общая конструкция устройства для формирования субнаносекундных импульсов.

На фиг.2 представлена конструкция второго коммутатора-обострителя с выполнением дополнительного электрода в виде полого цилиндра.

На фиг.3 представлена конструкция второго коммутатора-обострителя с выполнением дополнительного электрода в виде полого усеченного конуса.

На фиг.4 представлены зависимости длительности фронта импульса в ПЛ (или на нагрузке) от величины отношения to/tфо при разных значениях tфо.

На фиг.5 представлены осциллограммы импульсов напряжения на ФЛ, ПЛ и коммутаторах-обострителях.

Устройство для формирования субнаносекундных импульсов содержит зарядный источник импульсного напряжения 1 (фиг.1), ФЛ 2, образующую электрическую емкость C1, высоковольтный токопровод 3 которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения 1, а с другой стороны - с первым электродом 4 первого коммутатора-обострителя 5, второй электрод которого 6 соединен через высокоомную ФЛ 7 с высоковольтным токопроводом 8 выходной ФЛ 9, образующей электрическую емкость C2 (фиг.2), выполненную, например, в виде конической коаксиальной формирующей линии. Высоковольтный токопровод 8 (фиг.1) выходной ФЛ 9 через второй коммутатор-обостритель 10 соединен с высоковольтным токопроводом 11 ПЛ 12, подключенной на выходе к нагрузке 13. Токопроводы с нулевым потенциалом 14, 15, 16 формирующих линий 2, 9 и ПЛ 12 являются их корпусами и соединены друг с другом. На первом электроде 17 второго коммутатора-обострителя 10 закреплен дополнительный электрод 18, имеющий с первым электродом 17 гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним. Установка дополнительного электрода 18 вызывает создание двух дополнительных электрических емкостей с малой конструктивной индуктивностью, образованных дополнительным электродом 18 и токопроводом с нулевым потенциалом 15 С3 (фиг.2) и дополнительным электродом 18 и вторым электродом 19 второго коммутатора-обострителя 10 C4. Также существует емкость между электродами 17, 19 второго коммутатора-обострителя 10 С5.

Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого цилиндра (фиг.2).

Дополнительный электрод 18 может быть выполнен в виде полого усеченного конуса (фиг.3).

Второй электрод 19 второго коммутатора-обострителя 10 может быть выполнен расположенным в полости дополнительного электрода 18 (фиг.3).

Длина дополнительного электрода 18 может быть определена из условия

lo=(0,08-0,24)tфо·ν (фиг.4)

где tфо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;

ν - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.

Устройство работает следующим образом. После включения зарядного источника импульсного напряжения 1 (фиг.1) в момент времени t1 происходит зарядка емкости C1 первой формирующей линии 2 (кривая 1) (фиг.5). Электрическая прочность основного промежутка между электродами 4, 6 первого коммутатора-обострителя 5 (фиг.1) определяется геометрией промежутка и свойствами изоляционной среды в рабочем объеме и подбирается таким образом, чтобы пробой промежутка происходил при напряжении, близком к максимальному значению. При пробое между электродами 4, 6 коммутатора 5 в момент времени t2 (фиг.5) происходит быстрая зарядка емкости C2 (фиг.2) конической формирующей линии 9 (кривая 2) (фиг.5). Параллельно происходит зарядка электрических емкостей, образованных дополнительным электродом 18 и токопроводом с нулевым потенциалом 15 С3 (фиг.2) и дополнительным электродом 18 и вторым электродом 19 второго коммутатора-обострителя 10 C4 (кривая 3), а также междуэлектродной емкости C5 (кривая 3) (фиг.5). В момент пробоя t3 второго коммутатора-обострителя 10 (фиг.1) дополнительный электрод 18 совместно с искровым каналом образует минимально возможный по размерам и, соответственно, по индуктивности колебательный контур. Начинает происходить разряд конструктивной емкости C4 (фиг.2) через искровой канал второго коммутатора-обострителя 10 (кривая 3) (фиг.5). По внутренней поверхности дополнительного электрода 18 начинает распространяться электромагнитная волна, время пробега которой определяется по формуле:

где l0 - общая длина пробега волны;

ν - скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрической среде.

Так как волна формируется после пробоя второго коммутатора-обострителя 10, то общая длина пробега волны lo от точки пробоя (вершины конического электрода) приблизительно составляет:

где l - длина дополнительного электрода 18;

d - внутренний диаметр дополнительного электрода 18, закрепленного на первом электроде 17 второго коммутатора-обострителя 10.

Соответственно время пробега t до конца дополнительного электрода составляет:

В момент времени t4 (фиг.5) волна, дойдя до конца дополнительного электрода 18, отражается и начинается перезаряд емкости С4 (фиг.2), обеспечивая формирование нижней части фронта импульса, часть волны, преломляясь, проходит в ПЛ 12 (кривая 4) (фиг.5). В этот же момент времени начинается разряд емкости С3 (фиг.2), обеспечивая формирование вершины фронта импульса. Быстрые электромагнитные процессы в колебательном контуре позволяют сформировать крутой фронт импульса тока за счет энергии, накопленной в емкостях C4 и С3.

В момент времени t5 начинается разряд емкостей C2, обеспечивая на нагрузке 13 формирование соответствующей длительности импульса.

Создание двух дополнительных электрических емкостей C4 и С3 с малой конструктивной индуктивностью позволяет увеличить скорость роста тока через искровой канал после его образования. Это в свою очередь ведет к увеличению скорости нарастания напряжения в передающей коаксиальной линии и нагрузке.

Источники информации

1. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука, 1987 г., с 108.

2. Burger I.W., Baum C.E., Prather W.D. Disign anol Development ob a High Voltage Cooaxial Hygrogen gwitch. Proceeding ob SPIE, 2002, V.4720, p.43-58.

3. Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные наносекундные ускорители. М.: Энергоатомиздат, 1991 г., с 21.

4. Х.Мейнке, Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник. М., Госэнергоиздат, 1961 г., с 131.

1. Устройство для формирования субнаносекундных импульсов, содержащее зарядный источник импульсного напряжения, формирующую линию (ФЛ), высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой стороны - с первым коммутатором-обострителем, соединенным через высокоомную ФЛ с высоковольтным токопроводом выходной ФЛ, который через второй коммутатор-обостритель соединен с высоковольтным токопроводом передающей линии (ПЛ), подключенной на выходе к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом формирующих линий и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, отличающееся тем, что на первом электроде второго коммутатора-обострителя закреплен дополнительный электрод, имеющий с первым электродом гальванический контакт, охватывающий его и расположенный соосно с ним.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде полого цилиндра.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде полого усеченного конуса.

4. Устройство по любому из пп.1- 3, отличающееся тем, что второй электрод второго коммутатора-обострителя выполнен расположенным в полости дополнительного электрода.

5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что длина дополнительного электрода определена из условия

где tфо - длительность фронта импульса в конструкции устройства без дополнительного электрода;

v - скорость света в диэлектрической среде второго коммутатора-обострителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к многоканальным системам преобразования и передачи информации с уплотнением по времени и может использоваться в устройствах связи. .

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано для получения импульсных напряжений. .

Изобретение относится к импульсной технике для использования в биполярных генераторах ионов, в нейтрализаторах статического электричества, в различного рода очистителях воздуха от пыли.

Изобретение относится к импульсной технике для использования в биполярных генераторах ионов, в нейтрализаторах статического электричества, в различного рода очистителях воздуха от пыли.

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться для магнитно-импульсной обработки материалов, создания импульсных потоков плазмы, электрогидравлической обработки материалов.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при моделировании случайных процессов. .

Изобретение относится к вычислительной технике. .
Изобретение относится к формированию высоковольтных импульсов в импульсной технике. .

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления и контрольно-измерительных устройствах. .

Изобретение относится к генератору импульсов согласно ограничительной части п.1 формулы. .

Изобретение относится к технике СВЧ, конкретно к области формирования импульсов СВЧ-энергии

Изобретение относится к электродуговой сварке плавящимся электродом, в частности к устройствам формирования импульсов сварочного тока, и может найти применение в различных отраслях машиностроения

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления

Изобретение относится к области автоматики и импульсной техники и может быть использовано для формирования импульсов

Изобретение относится к мощным модуляторам, включающим модули генерации импульсов, первичные и вторичные обмотки для использования в радарных устройствах, лазерах, при лечении онкологических заболеваний, СВЧ-нагрев, процессах стерилизации материалов, ускорение частиц (линейный ускоритель), разогрев плазмы для ядерного синтеза, очистки полупроводников и т.п

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в качестве источника импульсного электропитания различных электрофизических установок

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании источников электропитания импульсных нагрузок с емкостными накопителями энергии

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано при создании источников питания импульсных ламп оптических квантовых генераторов
Наверх