Генератор импульсного напряжения

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в качестве источника импульсного электропитания различных электрофизических установок. Сущность: генератор содержит несколько каскадов, соединенных по схеме Маркса. Каждый каскад содержит один или несколько конденсаторов и разрядный промежуток. Хотя бы один конденсатор каждого каскада выполнен в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела с устройством для создания в нем механической нагрузки, преимущественно в виде заряда взрывчатого вещества. Технический результат: независимость от внешних источников электрической энергии (полная автономность), короткое время подготовки генератора к формированию импульса (порядка нескольких микросекунд). 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известно полностью автономное устройство (взрывной пьезогенератор), генерирующее высоковольтный импульс (SU 1119564, 1997 г.). Пьезогенератор содержит одно или несколько поляризованных сегнетоэлектрических рабочих тел. При срабатывании небольшого взрывного заряда в поляризованных сегнетоэлектрических рабочих телах формируется волна механической нагрузки, при движении которой по рабочему телу между его гранями, перпендикулярными к вектору спонтанной поляризации, возникает разность потенциалов. Поляризованные сегнетоэлектрические рабочие тела на гранях, перпендикулярных вектору спонтанной поляризации, имеют токопроводящие покрытия, с которых снимается высоковольтный импульс.

Недостатком такой конструкции является ограниченная величина напряжения в формируемом импульсе.

Известны генераторы импульсного напряжения, выполненные по известной схеме Маркса (Импульсная электроника / Г.А.Месяц, М., Наука, 2004 г, с.46-47). Эти генераторы позволяют формировать импульсы до десятков MB. Для зарядки конденсаторов требуется внешний источник электрической энергии, от которого через резисторы или индуктивности в конденсаторы генератора Маркса подается напряжение. После зарядки конденсаторов до заданного уровня напряжения происходит срабатывание искровых промежутков, конденсаторы соединяются в последовательную цепь, и формируется импульс. Процесс зарядки конденсаторов требует определенного времени.

Известно устройство, в котором время зарядки конденсаторов до требуемого напряжения может быть уменьшено за счет использования импульсного источника электрической энергии, от которого напряжение подается на конденсатор отдельный секции (международная заявка WO 2004/100371). В этом устройстве сторонний дополнительный импульсный источник электрической энергии имеет индуктивную связь с конденсатором отдельной секции и подает на него часть заряда. При этом основная часть заряда поступает на конденсатор через резисторы или индуктивности от неимпульсного внешнего источника электрической энергии, как в типичном генераторе Маркса. В результате время зарядки конденсаторов в таком устройстве оказывается достаточно большим. Кроме того, устройство невозможно использовать в полностью автономном режиме.

Указанные недостатки устраняются тем, что, по сравнению с прототипом, предлагаемый генератор импульсного напряжения содержит несколько каскадов, каждый из которых содержит один или несколько конденсаторов и разрядный промежуток. Конденсатор или несколько содержащихся в одном каскаде параллельно соединенных между собой конденсаторов образуют конденсаторный блок, а конденсаторные блоки отдельных каскадов соединены между собой последовательно по схеме Маркса через разрядные промежутки. Хотя бы один конденсатор в каждом каскаде выполнен в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела, которое имеет токопроводящее покрытие на поверхностях, перпендикулярных вектору спонтанной поляризации сегнетоэлектрика, и снабжено устройством для создания в нем механической нагрузки.

С помощью заявляемого генератора импульсного напряжения решается задача создания устройства для формирования высоковольтного импульса, не зависящего от внешних источников энергии. Также с помощью заявляемого устройства решается задача быстрой зарядки конденсаторов генератора (за время порядка нескольких микросекунд) и соответственно быстрой подготовки устройства к формированию импульсного напряжения.

Техническим результатом предложения является создание полностью автономного устройства с коротким временем его подготовки для формирования импульса. Что является важным, например, для транспортируемых устройств.

В частном случае каскад может содержать единственный конденсатор, выполненный в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела с устройством для создания в нем механической нагрузки. В этом случае, в процессе механического нагружения поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела, весь электрический заряд будет накапливаться на обкладках этого конденсатора.

Однако, в случае единственного конденсатора, выполненного в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела, величина запасаемого на его обкладках электрического заряда ограничивается электрической прочностью сегнетоэлектрического рабочего тела. Более целесообразно использовать в каскадах генератора комбинацию из параллельно соединенных конденсаторов, выполненных в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела, и обычных конденсаторов.

Для увеличения электрического заряда, накапливаемого в каскаде генератора, может увеличиваться размер поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела. По компоновочным и технологическим соображениям может оказаться более рациональным не увеличение размера поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела, а выполнение нескольких конденсаторов в виде поляризованных сегнетоэлектрических рабочих тел.

В качестве устройства для создания механической нагрузки в поляризованном сегнетоэлектрическом рабочем теле, может, например, использоваться устройство, метающее давлением сжатого газа металлический поршень в торец конденсатора, выполненного в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела.

Однако более предпочтительным является использование в устройстве для создания механической нагрузки небольшого (несколько граммов) заряда взрывчатого вещества. Этим зарядом, например, может метаться металлическая пластинка, начальная форма которой выбирается таким образом, что происходит одновременный удар по всем точкам плоского торца поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела.

Для функционирования генератора необходимо синхронная подача инициирующих импульсов на устройства для создания механической нагрузки в поляризованном сегнетоэлектрическом рабочем теле. Если устройства для создания механической нагрузки содержат небольшие заряды взрывчатого вещества, то в каждое из них может иметь отдельный электрический детонатор. При этом инициирующий электрический импульс подается одновременно на все указанные детонаторы. Однако в этом случае на работу генератора будет оказывать существенное влияние разброс времени срабатывания электрических детонаторов.

Представляется предпочтительным использование единственного детонатора, который производит инициирование взрывчатого вещества в единственной точке. При этом от этой точки к каждому устройству для создания механической нагрузки прокладывается дорожка взрывчатого вещества. Все эти дорожки выполняются одинаковой длины и, соответственно, передают инициирующий импульс одновременно на все устройства для создания механической нагрузки. В этом случае разброс моментов прихода инициирующего импульса будет определяться разбросом геометрических длин дорожек взрывчатого вещества и разбросом физико-химических свойств взрывчатого вещества в этих дорожках. Получающийся разброс будет существенно меньше, чем разброс времен срабатывания множества детонаторов.

На чертеже приведено схематическое изображение заявляемого генератора импульсного напряжения.

Генератор импульсного напряжения содержит несколько каскадов. Каждый каскад содержит один или несколько конденсаторов (на схеме в каждом каскаде изображены два конденсатора 1, 3; номера позиций проставлены только для среднего каскада) и разрядный промежуток 2. В каждом каскаде, содержащем более одного конденсатора, все конденсаторы 1, 3 параллельно соединены в конденсаторный блок. Конденсаторные блоки отдельных каскадов соединены между собой по схеме Маркса последовательно через разрядные промежутки 2.

Хотя бы один конденсатор в каждом каскаде выполнен в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела 3 с устройством 4 для создания в нем механической нагрузки. Поляризованные сегнетоэлектрические тела 3 имеют токопроводящие покрытия 5 на гранях, перпендикулярных их вектору спонтанной поляризации.

Для выравнивания напряжений между каскадами отдельные каскады могут быть соединены между собой через резисторы и/или индуктивности 6. При замкнутых разрядных промежутках 2 каскады генератора импульсного напряжения и нагрузка 7 соединяются в последовательную цепь.

Устройство работает следующим образом. После подачи синхронизирующего сигнала на устройства 4 для создания механической нагрузки они формируют в поляризованных сегнетоэлектрических рабочих телах 3 механическую нагрузку, которая вызывает появление на их токопроводящих покрытиях 5 разности потенциалов. Под действием разности потенциалов за счет параллельного соединения всех конденсаторов каскада, в том числе и образованных поляризованными сегнетоэлектрическими рабочими телами 3, напряжение на них нарастает до напряжения пробоя разрядных промежутков. После этого происходит соединение каскадов в последовательную цепь и формируется высоковольтный импульс в нагрузке 7.

В качестве устройства 4 для создания механической нагрузки 4 могут использоваться небольшие заряды (несколько граммов) взрывчатого вещества, которые будут формировать в поляризованных сегнетоэлектрических рабочих телах 3 ударную волну. При выполнении поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела 3 из пьезоэлектрической керамики системы циконат-титанат-свинца в форме куба с гранью примерно 20 мм будет обеспечена зарядка конденсаторов одного каскада с емкостью 1-2 нФ до напряжения 18-25 кВ за время порядка микросекунды. Если будет использовано 10 таких каскадов с поляризованными сегнетоэлектрическими рабочими телами, то на нагрузке с сопротивлением 300 Ом и индуктивностью 10 мкГн при разряде будет сформирован импульс 150-180 кВ.

1. Генератор импульсного напряжения, содержащий несколько каскадов, каждый из которых включает один или несколько конденсаторов и разрядный промежуток, при этом конденсатор или несколько содержащихся в одном каскаде параллельно соединенных между собой конденсаторов образуют конденсаторный блок, а конденсаторные блоки каскадов соединены между собой последовательно по схеме Маркса через разрядные промежутки, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один конденсатор в каждом каскаде выполнен в виде поляризованного сегнетоэлектрического рабочего тела с токопроводящим покрытием на поверхностях, перпендикулярных вектору спонтанной поляризации сегнетоэлектрика, и снабжен устройством для создания в нем механической нагрузки.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что отдельные каскады соединены между собой через резисторы и/или индуктивности.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что каждое устройство для создания механической нагрузки в поляризованных сегнетоэлектрических рабочих телах содержит заряд взрывчатого вещества и снабжено средством для одновременного инициирования всех зарядов взрывчатого вещества.

4. Генератор по п.3, отличающийся тем, что средство для одновременного инициирования зарядов взрывчатого вещества во всех устройствах для создания механической нагрузки в поляризованных сегнетоэлектрических рабочих телах выполнено в виде системы дорожек взрывчатого вещества, имеющих одинаковую длину и соединяющих единственную точку инициирования с каждым отдельным зарядом взрывчатого вещества.