генератор высоковольтных импульсов

Формула изобретения

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т_о, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предымпульсный разрядник, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине Т_о, 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 дополнительно линии, а волновые сопротивления линий выбраны из соотношений







где Z₁, - волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением Z₁;

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;

i = 2, 3, ..., 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, 10³-10⁶ A, 10^-7-10^-8 c).

Известен генератор /1, fig. 1/, содержащий два электрода, образующие ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины Т₀, коммутирующий разрядник, включенный между электродами на входе СЛ, резистивную нагрузку и предымпульсный разрядник, подсоединенные последовательно между электродами на выходе СЛ, а также источник напряжения, включенный между электродами СЛ. Под действием источника напряжения СЛ 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:

Z_i=Z₁[i(i+1)]/2,

где i = 1,2,...,n - номер отрезка линии, отсчитываемый от входа СЛ;

n - полное число отрезков в СЛ;

Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i.

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является первый импульс напряжения. Нагрузка подключается к выходу СЛ при срабатывании предымпульсного разрядника с задержкой на время nT₀ по отношению к моменту включения коммутирующего разрядника, то есть в момент 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 n/2 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину V₀/2. Максимальное напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода составляет nV₀.

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

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов /1, fig. 3a/, содержащий заземленный электрод, образующий короткозамкнутую ступенчатую линию (СЛ), выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого отрезка СЛ и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения и коммутирующий разрядник, включенные между высоковольтным и заземленным электродами, причем коммутирующий разрядник размещен в месте соединения первого и второго отрезков СЛ, резистивную нагрузку, подключенную к выходу СЛ последовательно с предымпульсным разрядником.

Под действием источника напряжения два отрезка 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:

Z_i=Z_n2/[(n-i+l)(n-i+2)],

где i = 2,3,...,n - номер отрезка СЛ;

n - полное число отрезков в СЛ;

Z_i - волновое сопротивление отрезка линии с номером i,

волновых сопротивлений отрезков, образованных высоковольтным электродом в первом отрезке СЛ:

- c разрядником Z₁ = Z_n2/[(n+l)(n+2)],

- без разрядника = Z_n2/[n(n+1)].

В общем случае на выходе СЛ формируются импульсы напряжения чередующейся полярности длительностью 2T₀. Рабочим является второй импульс напряжения. Нагрузка подключается при срабатывании предымпульсного 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 (n+1)/2 раз, включение в состав СЛ каждого дополнительного отрезка повышает напряжение в согласованном режиме на величину V₀/2.

Недостатком генератора является сравнительно невысокое напряжение на нагрузке, равное (n+1)V₀/2 в согласованном режиме и (n+1)V₀ 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 короткозамкнутую ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀, высоковольтный электрод, размещенный во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии и разделяющий его на две однородные линии, источник напряжения, включенный между высоковольтным и заземленным электродами, коммутирующий разрядник, а также соединенные последовательно с выходом ступенчатой линии нагрузку и предымпульсный разрядник, снабжен дополнительной однородной линией с электрической длиной, равной электрической длине T₀, 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 Z₁, - волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновым сопротивлением Z₁;

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;

i = 2,3,...,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 высоковольтным электродом 2 в первом отрезке ступенчатой линии; 5 - дополнительная однородная линия; 6 - коммутирующий разрядник; 7 - источник напряжения; 8 - нагрузка; 9 - предымпульсный разрядник; 10 - третий отрезок ступенчатой линии.

Генератор содержит заземленный электрод 1, образующий короткозамкнутую на входе ступенчатую линию, выполненную в виде последовательно соединенных отрезков однородных линий с распределенными параметрами одинаковой электрической длины T₀. Во внутреннем объеме первого отрезка ступенчатой линии размещен высоковольтный электрод 2, делящий первый отрезок СЛ на две однородные линии 3 и 4 с волновыми сопротивлениями, равными соответственно Z₁ и . Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами в месте соединения первого и второго отрезков ступенчатой линии подключен один из концов дополнительной однородной линии 5, электрическая длина которой равна электрической длине отрезков ступенчатой линии. На другом конце дополнительной линии 5 включен коммутирующий разрядник 6. Между высоковольтным 2 и заземленным 1 электродами включен источник напряжения 7. К выходу ступенчатой линии подключены соединенные последовательно нагрузка 8 и предымпульсный разрядник 9. Волновые сопротивления линий выбраны из соотношений





где Z₁, - волновые сопротивления линий, образованных высоковольтным и заземленным электродами в первом отрезке ступенчатой линии, причем дополнительная линия подключена к линии с волновыми сопротивлениями Z₁;

Z_i - волновое сопротивление отрезков ступенчатой линии без высоковольтного электрода;

i = 1,3,...,n - номер отрезка ступенчатой линии;

n - число отрезков ступенчатой линии;

Z - волновое сопротивление дополнительной линии.

Генератор работает следующим образом. Под действием источника напряжения 7 осуществляется импульсная зарядка до напряжения V₀ электрической емкости двух отрезков линий 3 и 4 с импедансами Z₁ и , а также дополнительной линии 5 с волновым сопротивлением Z. Энергия запасается в указанных линиях в виде электрического поля. При достижении максимального зарядного напряжения V₀ включается коммутирующий разрядник 6, 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 рисунке в ступенчатой линии направлен снизу вверх, а в дополнительной линии справа налево.

В момент времени t = T₀ волна разрядки, распространяющаяся по дополнительной линии 5, достигает места ее соединения с линиями 3, 4 и 10. В дополнительную линию 5 отразится волна напряжения -2 /3V₀, а в линии 3, 4 и 10 пойдут волны с амплитудой, равной -5/3V₀, [3(n-1)/(4n)]V₀ и -[(11n+9)/(12n)] V₀. В момент времени t=2T₀ происходит следующее. Волна -2/3V₀, распространяющаяся по дополнительной линии 5, достигает короткозамкнутого коммутирующего разрядника 6 и отражается без изменения амплитуды, но с противоположной полярностью.

Волны напряжения -5/3V₀ и [3(n-1)/(4n)]V₀ приходят к месту соединения линий 3 и 4. В результате в линию 3 пойдет волна -V₀/3, а в линию 4 - волна [(5n+3)/(4n)]V₀. В этот же момент времени волна -[(11n+9)/(12n)]V₀ приходит к месту соединения линии 10 с третьим отрезком СЛ с импедансом Z₃. В результате в линию 10 отразится волна -{(11n+9)/[12n(n-1)]}V₀, в третий отрезок СЛ пойдет волна -{(11n+ 9)/[12(n-1)]}V₀.

В момент времени t = 3T₀ происходит следующее. К месту соединения дополнительной линии 5 с линиями 3, 4 и 10 приходят четыре волны напряжения: по линии 5 - волна 2/3V₀, по линии 3 - волна -V₀/3, по линии 4 - волна [(5n+3)/(4n)]V₀ и по линии 10 - волна -{(11n+9)/[12n(n-1)]}V₀. Для расчета амплитуды первого импульса напряжения на нагрузке генератора достаточно рассмотреть только волну, которая в результате суперпозии электромагнитных волн будет распространяться по линии 10. Ее амплитуда будет равна { (11n+9)(2n-1)/[12n(n-1)]} V₀.

Таким образом, во второй отрезок ступенчатой линии 10 в момент времени t = T₀ пойдет волна напряжения V₁² = -[(11n+9)/(12n)]V₀, а в момент времени t = 3T₀ - волна V₂²={(11n+9)2n-1)/[12n(n-1)]} V₀. 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 V₁ⁱ 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, следующим рекуррентным соотношением:



С учетом соотношения волновых сопротивлений отрезков ступенчатой линии выражения для V₁ⁱ и амплитуды волны V₂² во втором отрезке СЛ находим В момент времени t = nT₀ первая волна с амплитудой V₁ⁿ=-(11n+9)V₀/24 приходит к выходу генератора с волновым сопротивлением Z_n. Так как предымпульсный разрядник 9 выключен, то волна напряжения отражается от разомкнутого конца линии без изменения полярности и амплитуды. В результате выходной отрезок СЛ с номером n оказывается заряженным до напряжения 2V₁ⁿ. В момент времени t = (n+2)T₀ включается предымпульсный разрядник 9, и на нагрузке 8 с импедансом Z_н формируется импульс напряжения B это же время к выходу генератора приходит волна V₂ⁿ= (11n+9)V₀/8 и на нагрузке 8 возникает импульс напряжения Суммарная амплитуда импульса напряжения, возникающего на нагрузке 8 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 в общем случае формируется импульс напряжения ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2T₀. Амплитуда напряжения максимальна в режиме холостого хода и равна V₀(11n+9)/6. Генератор имеет максимальный КПД в согласованном режиме, когда Z_н = Z_n. В этом случае на нагрузке 8 формируется одиночный прямоугольный импульс напряжения амплитудой V₀(11n +9)/12 и длительностью 2T₀. Энергия, переданная в течение импульса в согласованную нагрузку 8

,

равна по величине энергии, запасенной первоначально в генераторе



где C, C₁, - электрическая емкость линий с волновыми сопротивлениями Z, Z₁, соответственно.

Следовательно, к моменту времени t = (n+4)T₀ запасенная в генераторе энергия полностью передается в согласованную нагрузку 8, 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 8 формируется импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой V₀(11n+9)/12, что в (11n+9)/[6(n+1)] раз превышает напряжение на согласованной нагрузке генератора-прототипа, равного V₀(n+1)/2.

Правильность метода анализа волновых процессов в высоковольтных генераторах на ступенчатых линиях, подобного приведенному выше, была неоднократно подтверждена при создании ряда сильноточных импульсных ускорителей электронов с системами формирования импульсов ускоряющего напряжения на ступенчатых линиях /2/ - /6/.

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 high-voltage 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. 1; прототип - стр. 513, fig. 3а).

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.

5. Линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ-10М с индукторами на ступенчатых линиях//ВАНТ. Сер. : Ядерно-физические исследования. - 1997. - Вып. 4, 5 (31, 32). С. 117-119.

6. B. C. Босамыкин, B. C. Гордеев, В.Ф. Басманов, В.О. Филиппов, Г.А. Мысков и др. Инжектор ускорителя ЛИУ-10М//ВАНТ. Сер.: Ядерно-физические исследования. - 1997. - Вып. 4, 5 (31, 32). С. 120-122.