генератор высоковольтных импульсов

Формула изобретения

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предимпульсный разрядник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине отрезков ступенчатой линии, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:





волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами и первом и втором отрезках ступенчатой линии соответственно, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;

i = 3,4..., n - номер отрезка ступенчатой линии;

n - число отрезков ступенчатой линии;

Z - волновое сопротивление дополнительной линии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных высоковольтных импульсов, например, для генерации пучков заряженных частиц (10⁵ - 10⁷ B, 10³ - 10⁶A, 10^-7 - 10^-8с).

Известен генератор [1, фиг. 3b], содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме второго отрезка СЛ и разделяющий этот отрезок на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтными и заземленным электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, а также соединенные последовательно с выходом СЛ резистивную нагрузку и предимпульсный разрядник. Под действием источника напряжения две линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V₀, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении коммутирующего разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений:



где

Z₁ - волновое сопротивление первого отрезка СЛ;

волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами во втором отрезке ступенчатой линии, причем коммутирующий разрядник включен в линии с волновыми сопротивлениями Z₂;

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;

i = 3,4,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;

n - число отрезков ступенчатой линии.

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании предимпульсного разрядника с задержкой на время (n+1)T₀ по отношению к моменту включения коммутирующего разрядника, то есть с задержкой на время 2T₀ по отношению к моменту прихода к выходу генератора первой электромагнитной волны. На согласованной нагрузке Z_н= Z_n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого вся энергия передается в нагрузку. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в (3n-2)/4 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину 3V₀/4. Максимальное напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода составляет (3n-2)/2V₀.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (3n-2)/4V₀ в согласованном режиме и (3n-2)/2V₀ в режиме холостого хода.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов [1, фиг.3 c] , содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков СЛ и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтными и заземленными электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, а также соединенные последовательно с выходом СЛ резистивную нагрузку и предимпульсный разрядник. Под действием источника напряжения четыре отрезка линии вблизи высоковольтного электрода заряжаются до напряжения V₀, и энергия запасается в генераторе в виде электрического поля. При включении первого разрядника в результате волновых процессов энергия концентрируется на выходе СЛ. С точки зрения достижения максимального КПД оптимальными являются следующие соотношения волновых сопротивлений



где

волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии соответственно, причем коммутирующий разрядник подключен к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;

i = 3, 4,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;

n - число отрезков ступенчатой линии.

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2 T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании второго разрядника с задержкой на время (n+1)T₀ по отношению к моменту включения первого разрядника, то есть с задержкой на время 2T₀ по отношению к моменту прихода к выходу генератора первой электромагнитной волны. На согласованной нагрузке Z_H=Z_n формируется одиночный импульс напряжения длительностью 2T₀, в течение которого вся энергия передается в нагрузку. Напряжение на согласованной нагрузке превышает зарядное в n раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину V₀. Максимальное напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода составляет 2nV₀.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное nV₀ в согласованном режиме и 2nV₀ в режиме холостого хода.

Техническим результатом является повышение напряжения на выходе генератора при формировании на согласованной резистивной нагрузке с высоким КПД прямоугольного импульса напряжения.

Технический результат достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутого на входе ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии и разделяющий каждый из них на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предимпульсный разрядник, снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине отрезков ступенчатой линии, один из концов дополнительной линии подключен между высоковольтным и заземленным электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии, коммутирующий разрядник включен на другом конце дополнительной линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:



,

где

волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом и втором отрезках ступенчатой линии соответственно, причем дополнительная линия подключена к линиям с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂;

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;

i = 3, 4,..., n - номер отрезка ступенчатой линии;

n - число отрезков ступенчатой линии;

Z - волновое сопротивление дополнительной линии.

Включение в состав генератора дополнительной линии, изменение положения коммутирующего разрядника и указанный оптимальный выбор волновых сопротивлений в совокупности обеспечивают полную передачу запасенной в генераторе энергии в согласованную нагрузку при формировании на ней прямоугольного импульса напряжения повышенной амплитуды.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого генератора высоковольтных импульсов, где 1 - заземленный электрод; 2 - высоковольтный электрод; 3, 4 - однородные линии, образованные высоковольтные электродом 2 в первом отрезке ступенчатой линии; 5, 6 - однородные линии, образованные высоковольтным электродом 2 во втором отрезке ступенчатой линии; 7 - дополнительная однородная линия; 8 - коммутирующий разрядник; 9 - источник напряжения; 10 - нагрузка; 11 - предимпульсный разрядник; 12 - третий отрезок ступенчатой линии.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде не менее двух последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. Во внутреннем объеме двух первых отрезков ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 2, делящий первый отрезок СЛ на две однородные линии 3 и 4 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно а второй отрезок СЛ на две однородные линии 5 и 6 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии подключен один из концов дополнительной однородной линии 7, электрическая длина которой равна электрической длине отрезков ступенчатой линии. На другом конце дополнительной линии 7 включен коммутирующий разрядник 8. Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами включен источник напряжения 9. К выходу ступенчатой линии подключены соединенные последовательно нагрузка 10 и предимпульсный разрядник 11. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений:





где

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода с номером i = 3, 4,..., n;

n - число отрезков ступенчатой линии.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 9 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости четырех отрезков линий 3, 4, 5, и 6 с импедансами а также дополнительной линии с волновым сопротивлением Z. Энергия запасается в указанных линиях в виде электрического поля. При достижении максимального зарядного напряжения V₀ включается коммутирующий разрядник 8, замыкающий накоротко конец дополнительной линии, по которой побежит волна разрядки - V₀. Для дальнейшего анализа волновых процессов этот момент времени удобно обозначить как t = 0. Будем считать полярность напряжения положительной, если вектор напряженности электрического поля на рассматриваемом чертеже в ступенчатой линии направлен снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево. В момент времени t=T₀ волна разрядки, распространяющаяся по дополнительной линии 7, достигает места ее соединения с линиями 3 и 5. В дополнительную линию 7 отразится волна напряжения -2/3V₀, а в линии 3 и 5 пойдут волны одинаковой амплитуды -5/3V₀. В момент времени t=2T₀ происходит следующее. Волна -2/3V₀, распространяющаяся по дополнительной линии 7, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 8 и отражается без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. Волна напряжения -5/3V₀, распространяющаяся по линии 3, приходит к месту ее соединения с линией 4. В результате в линию 3 отразится волна - V₀/3, а в линию 4 пройдет волна 2V₀. В этот же момент времени волна - 5/3V₀ по линии 5 приходит к месту соединения последней с линиями 6 и 12. В результате в линию 5 отразится волна, в линию 6 пойдет волна а в линию 12 - волна В момент времени t=3T₀ происходит следующее. К месту соединения дополнительной линии 7 с линиями 3 и 5 приходят три волны напряжения: по линии 7 - волна 2/3V₀, по линии 3 - волна - V₀/3 и по линии 5 - волна В результате в дополнительную линию отразится волна напряжения V₀/6, в линию 3 пойдет волна 7V₀/6, а в линию 5 - волна К месту соединения линий 4 и 6 приходят две волны: по линии 4 - волна 2V₀ и по линии 6 - волна В результате в линию 4 пойдет волна напряжения V₀/2, а в линию 6 - волна В этот же момент времени волна - распространяющаяся по третьему отрезку ступенчатой линии 12, достигает место его соединения с четвертым отрезком СЛ. В линию 12 отражается волна напряжения В момент времени t= 4T₀ происходит следующее. Волна 1/6V₀, распространяющаяся по дополнительной линии 7, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 8 и отражается без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью. К месту соединения линий 3 и 4 приходят две волны напряжения: по линии 3 - волна 7V₀/6, а по линии 4 - волна V₀/2. В этот же момент времени к месту соединения линий 5, 6 и 12 приходят три волны: по линии 5 - волна по линии 6 - волна а по линии 12 - волна В результате в линию 5 пойдет волна в линию 6 - волна а в линию 12 - волна Таким образом, в третий отрезок ступенчатой линии 12 в момент времени t=2T₀ пойдет волна напряжения а в момент времени t= 4T₀ - волна В дальнейшем достаточно рассмотреть распространение по ступенчатой линии только этих двух волн напряжения. При прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков ступенчатой линии волны будут менять свою амплитуду. В интервале времени iT₀ - (i+1)T₀ первая волна будет распространяться по отрезку ступенчатой линии с номером i и ее амплитуда Vⁱ₁ будет равна



Амплитуда второй волны в отрезке ступенчатой линии с номером i, обозначим ее V₂ⁱ, связана с амплитудой этой же волны в отрезке с номером i-1 и амплитудой первой волны в отрезке с номером i следующим рекурентным соотношением:



С учетом соотношения волновых сопротивлений отрезков ступенчатой линии, выражения для Vⁱ₁ и амплитуды волны V³₂ в третьем отрезке ступенчатой линии находим В момент времени t=nT₀ первая волна с амплитудой Vⁿ₁ = -5nV₀/6 приходит к выходу генератора с волновым сопротивлением Z_n. Так как предимпульсный разрядник 11 выключен, то волна напряжения отражается от разомкнутого конца линии без изменения полярности и амплитуды. В результате выходной отрезок ступенчатой линии с номером n оказывается заряженным до напряжения 2Vⁿ₁. В момент времени t=(n+2)T₀ включается предимпульсный разрядник 11, и на нагрузке 10 с импедансом Z_н формируется импульс напряжения



В это же время к выходу генератора приходит волна Vⁿ₂ = 5nV₀/2 и на нагрузке 10 возникает импульс напряжения Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 10 в момент времени t=(n+2)T₀, равна и остается постоянной в интервале времени t=(n+2)T₀ - (n+4)T₀. В дальнейшем на нагрузке формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T₀. Амплитуда напряжения максимальна в режиме холостого хода и равна 10nV₀/3. Генератор имеет максимальный КПД в согласованном режиме, когда Z_н= Z_n. В этом случае на нагрузке 10 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой 5nV₀/3 и длительностью 2T₀. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 10 равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе

где

электрическая емкость линий с волновыми сопротивлениями соответственно.

Следовательно к моменту времени t= (n+4)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 10, и напряжение и ток в любом сечении генератора становятся равными нулю.

В согласованном режиме, когда генератор в идеальном случае обладает 100%-ным КПД, на нагрузке 10 формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой 5nV₀/3, что в 5/3 раза превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равного nV₀.

Правильность метода анализа волновых процессов в высоковольтных генераторах на ступенчатых линиях, подобного проведенному выше, была неоднократно подтверждена при создании ряда сильноточных импульсных ускорителей электронов с системами формирования импульсов ускоряющего напряжения на ступенчатых линиях [2 - 4].

Генератор может быть выполнен в вариантах, использующих полосковые, коаксиальные и радиальные линии с распределенными параметрами.

Источники информации, принятые во внимание:

1. Bossamykin V. S. , Gordeev V.S., Pavlovskii A.I.. New schemes for highvoltage pulsed generators based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V. 1, PP. 511-516 (аналог - стр. 512, fig. 2а; прототип - стр. 513, fig. 3c).

2. Bossamykin V.S., Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. Pulsed power electron accelerator with the forming systems based on stepped transmission lines// 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, BEAMS-92, Washington, DC, May 25-29, 1992; Springfield, VA, NTIS. 1992. V. 1, PP. 505-510.

3. Bossamykin V. S. , Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. STRAUS-2 electron pulsed accelerator // 9-th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V. 2. PP. 910-912.

4. Bossamykin V. S. , Gordeev V.S., Pavlovskii A.I. et. al. Linear induction accelerator LIA-10M// 9-th IEEE Internat. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, June 21-23, 1993; Springfield, VA, NTIS. 1993. V. 2. PP. 905 - 907.