Генератор наносекундных импульсов

Область техники - генерирование электромагнитных и наносекундных импульсов. Генератор наносекундных импульсов включает двухполярный источник зарядного напряжения, к которому подключена формирующая линия, один проводник которой находится под нулевым потенциалом и подсоединен к общей шине и к нагрузке. Другой проводник выполнен с разрывами, является высоковольтным и подключен к нагрузке через разрядник. Отрезки высоковольтного проводника подключены к источнику таким образом, что знак потенциала отрезков чередуется с положительного на отрицательный вдоль всей формирующей линии. Концы положительно заряженных отрезков высоковольтного проводника формирующей линии подключены к одному электроду разрядника, а концы отрицательно заряженных отрезков - к другому электроду. Между разрядником и нагрузкой включен дополнительный разрядник, обеспечивающий при срабатывании появление потенциала на электроде, подключенном к нагрузке. Электроды дополнительного разрядника выполнены различными по форме: плоскость - конус. Технический результат: генерирование цуга биполярных импульсов большой мощности с определенным спектральным составом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам генерирования наносекундных импульсов.

Уровень техники

Известен генератор наносекундных импульсов [1], содержащий источник зарядного напряжения, к которому подключена формирующая линия (ФЛ) таким образом, что один проводник находится под нулевым потенциалом, а другой является высоковольтным, высоковольтный проводник ФЛ подключен через тиратрон к нагрузке. ФЛ выполнена в виде коаксиального кабеля. При подаче управляющего импульса на сетку тиратрона он поджигается, и предварительно заряженная от источника зарядного напряжения ФЛ начинает разряжаться через сопротивление нагрузки, формируя на нем импульс напряжения.

Недостаток этого генератора заключается в невозможности генерирования цуга (последовательности) биполярных импульсов большой мощности при однократной зарядке линии.

Известен генератор наносекундных импульсов [2], содержащий источник зарядного напряжения, к которому подключена первая ФЛ таким образом, что один проводник находится под нулевым потенциалом и подсоединен к общей шине и к нагрузке, а другой является высоковольтным; высоковольтный проводник первой ФЛ подключен через газовый разрядник к высоковольтному проводнику второй ФЛ и к нагрузке. Первая ФЛ заряжается до полного напряжения от источника зарядного напряжения. При срабатывании разрядника первая ФЛ разряжается, и на нагрузке формируются два импульса напряжения одинаковой полярности, если вторая ФЛ разомкнута (если замкнута, то формируются импульсы разной полярности). Пауза между импульсами равна двойной длине пробега по второй ФЛ и изменяется ее длиной.

Недостаток этого генератора также заключается в невозможности генерирования цуга (последовательности) биполярных импульсов большой мощности при однократной зарядке линии.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по технической сущности к заявляемому устройству генератор наносекундных импульсов [3], содержащий двухполярный источник зарядного напряжения, к которому подключена ФЛ таким образом, что один проводник находится под нулевым потенциалом и подсоединен к общей шине и к нагрузке, а другой, выполненный с разрывами, является высоковольтным и подключен к нагрузке через разрядник, при этом полученные отрезки высоковольтного проводника подключены к источнику таким образом, что знак потенциала отрезков чередуется с положительного на отрицательный вдоль всей ФЛ, причем концы положительно заряженных отрезков высоковольтного проводника ФЛ подключены к одному электроду разрядника, а концы отрицательно заряженных отрезков - к другому электроду, кроме того, между разрядником и нагрузкой дополнительно включен конденсатор. При срабатывании разрядника ФЛ разряжается, и на нагрузке формируется цуг из 2n биполярных импульсов, если количество отрезков ФЛ было n штук.

Дополнительный конденсатор предотвращает попадание постоянной составляющей напряжения в нагрузку, что позволяет заряжать отрезки ФЛ. Для того чтобы биполярные волны напряжения разрядки ФЛ могли проходить через конденсатор, его емкость должна быть на порядок больше емкости одного отрезка ФЛ.

Наличие конденсатора в прототипе приводит к следующему:

- протеканию тока зарядки ФЛ через нагрузку;

- уменьшению КПД генератора за счет того, что большая часть энергии накапливается в конденсаторе;

- энергия, накопленная емкостью конденсатора, диссипирует в нагрузке и в генераторе с собственными частотами, не совпадающими с частотой, формируемой ФЛ, что изменяет заданный спектр и искажает формы импульсов;

- невозможности реализовать большие мощности.

Для того, чтобы емкость не вносила искажение в форму сигнала, необходимо было выполнить соотношение:

где τ - длительность импульса одной полярности,

С - емкость конденсатора,

ρ - волновое сопротивление линии.

Мощность Р, передаваемая линией, выражается формулой

где U - напряжение в линии.

Для того чтобы увеличить мощность, необходимо уменьшать волновое сопротивление, что приводит к нарушению соотношения (1).

Кроме того, конденсаторы большой емкости, выполненные намоткой, обладают большой индуктивностью, приводящей также к искажению формы импульсов.

Раскрытие изобретения

Технической задачей заявляемого изобретения является создание генератора, генерирующего цуг биполярных импульсов большой мощности, с повышенным КПД, без протекания тока зарядки ФЛ через нагрузку и изменения спектра сигнала, определяемого ФЛ.

Техническим результатом данного решения является генерирование цуга биполярных импульсов большой мощности с определенным спектральным составом.

Данный технический результат в заявляемом решении по п.1 достигается тем, что в генераторе наносекундных импульсов, включающем двухполярный источник зарядного напряжения, к которому подключена формирующая линия, таким образом, что один проводник находится под нулевым потенциалом и подсоединен к общей шине и к нагрузке, а другой, выполненный с разрывами, является высоковольтным и подключен к нагрузке через разрядник, при этом полученные отрезки высоковольтного проводника подключены к источнику таким образом, что знак потенциала отрезков чередуется с положительного на отрицательный вдоль всей формирующей линии, причем концы положительно заряженных отрезков высоковольтного проводника формирующей линии подключены к одному электроду разрядника, а концы отрицательно заряженных отрезков - к другому электроду, новым является то, что между разрядником и нагрузкой включен дополнительный разрядник, обеспечивающий при срабатывании появление потенциала на электроде, подключенном к нагрузке.

В генераторе по п.2 электроды дополнительного разрядника выполнены различными по форме.

В генераторе по п.3 электроды дополнительного разрядника являются системой плоскость-конус.

Включение дополнительного разрядника между разрядником и нагрузкой устраняет вышеперечисленные недостатки прототипа и поэтому позволяет повысить мощность и КПД генератора без изменения спектра сигнала, а также увеличить ресурс генератора.

Дополнительно введенный разрядник предотвращает попадание постоянной составляющей напряжения на нагрузку и позволяет заряжать отрезки ФЛ.

Введение дополнительного разрядника снимает ограничение на условие (1), что позволяет уменьшать волновое сопротивление ρ и тем самым увеличивать мощность.

Когда электроды (анод и катод) дополнительного разрядника существенно различны по форме, электрическое поле в зазоре между ними резко неоднородно. Пробой при таких электродах происходит при разных пробивных напряжениях в случаях, когда к электродам поочередно прикладывается напряжение различной полярности [4].

В предложенном генераторе подключение дополнительного разрядника с системой электродов, например, плоскость-конус с малым радиусом кривизны приводит к тому, что формирующую линию можно заряжать высоковольтным напряжением до пробивного напряжения системы плоскость - конус, где в исходном состоянии электрод-плоскость является катодом, а электрод-конус - анодом (плоский электрод подключен к отрицательно заряженному электроду основного разрядника, а электрод-конус к нагрузке, находящейся под нулевым потенциалом).

После срабатывания разрядника, назовем его основным, вдоль ФЛ распространяются биполярные волны напряжения разрядки ФЛ, и к дополнительному разряднику первоначально подходит положительная волна напряжения величиной, равной половине зарядного положительного напряжения, поэтому электрод-плоскость дополнительного разрядника становится анодом, а электрод-конус - катодом. Это приводит к пробою дополнительного разрядника, так как пробивное напряжение в таком режиме в 3-4 раза меньше, чем в исходном положении [4]. После пробоя дополнительного разрядника волна положительного напряжения продолжает распространяться в сторону нагрузки, за ней следует волна отрицательного напряжения. Так как знак потенциала высоковольтных отрезков ФЛ чередуется с положительного на отрицательный вдоль всей ФЛ, то на нагрузке формируется последовательность чередующихся биполярных импульсов (цуг) только полезного сигнала.

Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков в заявляемом генераторе позволяет достичь технического результата: без изменения спектра увеличить его КПД, мощность и ресурс.

На чертеже схематически изображен предложенный генератор наносекундных импульсов. Заявляемый генератор наносекундных импульсов содержит двухполярный источник зарядного напряжения 1, электрод 2 основного разрядника, находящийся под положительным потенциалом, электрод 3 основного разрядника - под отрицательным потенциалом, ФЛ, представляющую собой отрезки 4 ФЛ, состоящей из неразрывного проводника 5, находящегося под нулевым потенциалом, и высоковольтного проводника 6, выполненного с разрывами, дополнительный разрядник 7 с электродами в виде пластины 8 и конуса 9, нагрузку 10, зарядные сопротивления R1 и R2. На чертеже приведен пример ФЛ с шестью отрезками формирующей линии.

Генератор наносекундных импульсов работает следующим образом. Часть ФЛ, выполненная в виде отрезков 4 формирующей линии XW, TS, FE, заряжается положительно от двухполярного источника зарядного напряжения 1 через зарядное сопротивление R1, а оставшаяся часть ФЛ, выполненная в виде отрезков 4 ФЛ: VU, HG, DB, заряжается отрицательно через зарядное сопротивление R2. При этом концы положительно заряженных отрезков высоковольтного проводника 6 ФЛ подключены к электроду 2 основного разрядника, концы отрицательно заряженных отрезков высоковольтного проводника 6 ФЛ подключены к электроду разрядника 3, а проводник 5, находящийся под нулевым потенциалом, проходит разрядник без разрывов. После пробоя разрядного промежутка основного разрядника отрезки 4 ФЛ начинают последовательно разряжаться через сопротивление нагрузки 10 и вдоль ФЛ начинают распространяться биполярные волны напряжения разрядки ФЛ через основной разрядник в двух направлениях: через дополнительный разрядник 7 с электродами в виде пластины 8 и конуса 9, к сопротивлению нагрузки 10 (волновое сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению ФЛ) и к началу ФЛ (зарядному сопротивлению R1). Так как зарядное сопротивление R1 много больше волнового сопротивления ФЛ, то волны напряжения, подошедшие к нему, будут отражаться и распространяться в обратную сторону такой же полярности. Волна напряжения положительной полярности начнет распространяться от точки Х к точке Y и к электроду 8 дополнительного разрядника 7, что приведет его к пробою, и волна будет распространяться через электрод 9 к сопротивлению нагрузки 10, в то же время от точки W к точке V, затем по отрезку 4 ФЛ VU к точке U, и, пройдя по всем оставшимся отрезкам 4 ФЛ, подойдет к зарядному сопротивлению R1. Волна напряжения отрицательной полярности начнет распространяться от точки V к точке W и по отрезку 4 ФЛ WX к дополнительному разряднику 7, который уже пробит, и к сопротивлению нагрузки 10, в то же время от точки U к точке Т, и, пройдя по отрезкам 4 ФЛ: TS, HG, FE, DB, подойдет к зарядному сопротивлению R1. Волна напряжения отрицательной полярности начнет распространяться от точки D к точке Е и, пройдя по отрезкам 4 ФЛ: EF, GH, ST, UV, WX, подойдет через дополнительный разрядник 7 к сопротивлению нагрузки 10, в то же время от точки В к точке А (к зарядному сопротивлению R1), затем отражается от него и проходит путь по отрезкам 4 ФЛ до сопротивления нагрузки 10. Аналогичным образом разряжаются остальные отрезки 4 ФЛ. Таким образом, к сопротивлению нагрузки 10 последовательно подходит волна напряжения положительной полярности от точки X, затем волна напряжения отрицательной полярности от точки V, потом волна положительного напряжения от точки Т и так далее. Волны напряжения разрядки ФЛ, отраженные от зарядного сопротивления R1, начнут распространяться в обратную сторону, то есть к сопротивлению нагрузки 10. И после основной последовательности импульсов на сопротивлении нагрузки 10 сформируется дополнительная последовательность из отраженных импульсов. Если количество отрезков 4 ФЛ n штук, то на сопротивлении нагрузки 10 сформируется цуг из 2п биполярных импульсов, длительностью L/v и амплитудой ±U/2, где L - длина отрезка, v - скорость распространения электромагнитной волны в ФЛ, ±U - соответствующее напряжение двухполярного источника зарядного напряжения. Пробой разрядного промежутка основного разрядника можно осуществить, например, повышая напряжение источника зарядного напряжения. Пробой дополнительного разрядника 7, как было сказано выше, обеспечивается приходом положительной волны напряжения. Чтобы сформировать единый разрядный промежуток, точки X, W, Т, S, F, Е подключаются в точке А к основному разряднику, а точки Y, V, U, H, G, D, В подключаются в точке Z к основному разряднику.

В примере выполнения генератора наносекундных импульсов ФЛ выполнена из шести петель, каждая из которых состоит из десяти параллельно включенных отрезков кабеля КВИ 100, с волновым сопротивлением 60 Ом, вышесказанным образом подключенная, например, к двум высоковольтным зарядным устройствам разной полярности, к основному водородонаполненному разряднику с электродами, выполненными в виде пластин из стали, и к дополнительному вакуумному разряднику, электрод-пластина которого выполнен в виде медного диска диаметром 100 мм, медный электрод-конус имеет угол полного раствора 48°, а также к нагрузке (резистор с сопротивлением 6 Ом). Отрезки ФЛ выполнены длиной 3 м, поэтому длительность одного импульса - 15 нс. Сопротивления R1 и R2 - мегаомного диапазона.

Таким образом, данный генератор с повышенным КПД позволяет формировать цуг биполярных импульсов большой мощности без изменения спектра.

Источники информации

1. Введенский Ю.В. Генератор наносекундных импульсов. А.С. СССР №122823, заявлено 13.12.1958, опубл. БИ №19, 1959.

2. Ремнев Г.Е., Логачев Е.И., Исаков И.Ф, Печенкин С.А. Мощный генератор сдвоенных импульсов. Авторское свидетельство СССР №1254994, 30.09.94, БИ №18.

3. Селемир В.Д., Птицын Б.Г., Шилин К.С. Генератор наносекундных импульсов. Патент Ru 2258301, МПК⁷ Н03К 03/53. Опубликован 10.08.2005.

4. Сливков Н.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. - М.: Энергоатомиздат, 1986, 213.

1. Генератор наносекундных импульсов, включающий двухполярный источник зарядного напряжения, к которому подключена формирующая линия таким образом, что один проводник находится под нулевым потенциалом и подсоединен к общей шине и к выводу нагрузки, который также подключен к общей шине, а высоковольтный проводник формирующей линии выполнен с разрывами и подключен к другому выводу нагрузки через разрядник, при этом полученные отрезки высоковольтного проводника подключены к источнику таким образом, что знак потенциала отрезков чередуется с положительного на отрицательный вдоль всей формирующей линии, причем концы положительно заряженных отрезков высоковольтного проводника формирующей линии подключены к одному электроду разрядника, а концы отрицательно заряженных отрезков - к другому электроду, отличающийся тем, что между одним из электродов разрядника и нагрузкой включен дополнительный разрядник, обеспечивающий при срабатывании появление потенциала на электроде, подключенном к нагрузке.

2. Генератор наносекундных импульсов по п.1, отличающийся тем, что электроды дополнительного разрядника выполнены различными по форме.

3. Генератор наносекундных импульсов по п.1, отличающийся тем, что электроды дополнительного разрядника являются системой плоскость-конус.