генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности

Формула изобретения

Генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности, содержащий источник высокого напряжения, подключенную к его выходу катушку индуктивности, накопительную линию, коаксиальную передающую линию и нагрузку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит токопроводящую мембрану, накопительная линия выполнена в виде двух тороидов - высоковольтного и низковольтного, расположенных симметрично оси генератора параллельно друг другу, низковольтный тороид состыкован с внешним проводником коаксиальной передающей линии, токопроводящая мембрана расположена внутри высоковольтного тороида в центральной его плоскости, центр мембраны соединен с одной стороны с выходом катушки индуктивности, с другой стороны - с внутренним проводником передающей линии, по периметру мембрана соединена с внутренней поверхностью высоковольтного тороида, внутренний проводник передающей линии снабжен искровым промежутком, расположенным вблизи центра токопроводящей мембраны.

Описание изобретения к патенту

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

Принцип формирования пикосекундного импульса состоит в разряде короткой накопительной линии на длинную передающую линию.

Известен пикосекундный сильноточный ускоритель электронов (журнал «Приборы и техника эксперимента», 1990 г., №1, с.37-41), содержащий генератор высоковольтных импульсов напряжения и взрывоэмиссионную трубку. В состав генератора входят коаксиальная формирующая линия, являющаяся первичным накопителем энергии, первый разрядник, двухступенчатая трансформирующая линия, короткая накопительная линия конической формы, второй разрядник, широкополосная передающая линия. Трубка представляет собой вакуумный диод с взрывоэмиссионным катодом. Импульс высокого напряжения на трубку подводится по передающей линии после разряда накопительной линии через сильно перенапряженный искровой промежуток второго разрядника, заполненный маслом. Недостатком генератора является невысокая мощность импульса, ограниченная тем, что время развития разряда в искровом промежутке второго разрядника (время коммутации) превышает длительность формируемого импульса.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является генератор высоковольтных импульсов пикосекундной длительности, входящий в состав пикосекундного сильноточного источника электронов с высокоимпедансным вакуумным диодом в качестве нагрузки (журнал «Приборы и техника эксперимента», 1999 г., №6, с.89-94). Генератор содержит последовательно соединенные источник высокого напряжения, катушку индуктивности и формирующую линию, «медленный» разрядник, трансформирующую линию, состоящую из двух ступеней (низкоомной и высокоомной), накопительную линию, внутренний и внешний проводники которой представляют собой усеченные конусы (длина образующей конического внутреннего проводника порядка 13 мм), «быстрый» разрядник и трехступенчатую передающую линию. Принцип действия генератора заключается в следующем. Источник высокого напряжения заряжает формирующую линию, питание которой осуществляется через катушку индуктивности. На фронте импульса высокого напряжения вблизи его амплитудного значения в искровом промежутке «медленного» разрядника происходит пробой, вследствие чего формирующая линия разряжается на трансформирующую линию, состоящую из двух ступеней, низкоомной и высокоомной. На входе трансформирующей линии формируется колоколообразный импульс, который трансформируется во вторую ступень и заряжает короткую накопительную линию. Так как электроды искрового промежутка «быстрого» разрядника одновременно являются усеченной вершиной конического внутреннего проводника накопительной линии и торцевой поверхностью внутреннего проводника передающей линии (совмещены в пространстве), то напряжение на накопительной линии вызывает соответствующее перенапряжение искрового промежутка «быстрого» разрядника, который пробивается, и через этот искровой промежуток накопительная линия разряжается на передающую линию, формируя в ней бегущий импульс напряжения пикосекундной длительности. При этом необходимо, чтобы время коммутации - время развития разряда (пробоя) в искровом промежутке было меньше длительности формируемого импульса. Формирующая линия, «медленный» разрядник и трансформирующая линия образуют предварительную ступень, предназначенную для генерации фор-импульса с крутым фронтом, создающего сильное перенапряжение в искровом промежутке «быстрого» разрядника. Наличие предварительной ступени существенно усложняет устройство и ограничивает наращивание выходной электрической мощности импульса напряжения.

Недостатком прототипа является недостаточная электрическая мощность выходного импульса напряжения из-за ограничения времени коммутации «быстрого» разрядника.

Техническим результатом, обеспечиваемым предлагаемым изобретением, является повышение электрической мощности импульса за счет уменьшения длительности формируемого импульса.

Технический результат достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности, содержащий источник высокого напряжения, подключенную к его выходу катушку индуктивности, накопительную линию, коаксиальную передающую линию и нагрузку, дополнительно содержит токопроводящую мембрану, накопительная линия выполнена в виде двух тороидов - высоковольтного и низковольтного, расположенных симметрично оси генератора параллельно друг другу, низковольтный тороид состыкован с внешним проводником коаксиальной передающей линии, токопроводящая мембрана расположена внутри высоковольтного тороида в центральной его плоскости, центр мембраны соединен с одной стороны с выходом катушки индуктивности, с другой стороны - с внутренним проводником передающей линии, по периметру мембрана соединена с внутренней поверхностью высоковольтного тороида, внутренний проводник передающей линии снабжен искровым промежутком, расположенным вблизи центра токопроводящей мембраны.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом генераторе накопительная линия и искровой промежуток пространственно разделены, в результате чего не требуется возбуждать сильное перенапряжение в искровом промежутке, а значит, отпадает необходимость в предварительной ступени (первичном накопителе).

Структурная схема предлагаемого генератора приведена на фиг.1. На фиг.2 показан импульс напряжения, формируемый прототипом, на фиг.3 - импульс, формируемый предлагаемым генератором.

Генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности содержит расположенные в металлическом корпусе, заполненным трансформаторным маслом (не показан), источник высокого напряжения 1, подключенную к его выходу катушку индуктивности 2, намотанную высокоомным проводом, токопроводящую мембрану 3, расположенную в центральной плоскости внутри высоковольтного тороида 4, параллельно которому на минимальном расстоянии расположен второй - низковольтный - тороид 5, образующий вместе с тороидом 4 накопительную линию 6, низковольтный тороид 5 состыкован с внешним проводником 7 длинной коаксиальной передающей линии 8, внутренний проводник 9 которой снабжен искровым промежутком 10, находящимся вблизи центра токопроводящей мембраны 3, и соединен с нагрузкой 11. Токопроводящая мембрана 3, высоковольтный тороид 4 и низковольтный тороид 5 расположены симметрично оси генератора. Токопроводящая мембрана 3 соединена по центру с одной стороны с выходом катушки индуктивности 2, с другой стороны - с внутренним проводником 9 передающей линии 8, а по периметру - с внутренней поверхностью высоковольтного тороида 4. В качестве нагрузки 11 могут быть использованы различные преобразователи электрической энергии в электромагнитное излучение.

Принцип действия генератора состоит в следующем.

Источник высокого напряжения 1 заряжает через катушку индуктивности 2 и токопроводящую мембрану 3 короткую накопительную линию 6. При этом между тороидами 4 и 5 в месте их максимального сближения (на фиг.1 участки тороидов в месте их наибольшего сближения выделены жирными дугами) возникает сильное электрическое поле. Зарядное напряжение одновременно воздействует на искровой промежуток 10 на внутреннем проводнике 9 длинной передающей линии 8. С увеличением напряжения до пробивного в искровом промежутке 10 возникает электрический разряд. Обычно время развития разряда, составляющее по порядку величины ˜10 ^-10 c, совпадает с длительностью формируемого импульса, но может быть и больше. В течение этого времени проводимость искрового промежутка 10 может не успеть достичь максимального значения, что негативно скажется на длительности формируемого пикосекундного импульса напряжения. Для того чтобы этого не происходило, необходимо задержать процесс разряда накопительной линии 6, пока не установится максимальная проводимость в искровом промежутке 10. Для этого используется пространственное разделение искрового промежутка 10 и короткой накопительной линии 6 введением между ними токопроводящей мембраны 3 и участков тороидов 4 и 5, не находящихся в сильном электрическом поле. Благодаря такой задержке разряда накопительной линии 6 формируемый пикосекундный импульс напряжения будет иметь максимальную амплитуду и минимальный фронт (длительность). Далее пикосекундный импульс напряжения распространяется по длинной линии 8 и воздействует на нагрузку 11, где происходит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение. Эффективность пространственного разделения искрового промежутка 10 и накопительной линии 6 подтверждается экспериментальной проверкой. Пикосекундный импульс, формируемый прототипом, в котором такого разделения нет, и где искровой промежуток и накопительная линия объединены, показан на фиг.2. Фронт импульса и, в данном случае, половина ширины примерно равны и составляют ˜0,3 нс, т.е. ˜300 пс. Импульс, формируемый предлагаемым генератором с пространственным разделением искрового промежутка 10 и накопительной линии 6, показан на фиг.3. Фронт импульса в 1,5 раза меньше и не превышает 210 пс.

Таким образом, предлагаемый генератор высоковольтных импульсов напряжения пикосекундной длительности в сравнении с прототипом формирует импульс, длительность которого в 1,5 раза меньше, чем в прототипе, и, соответственно, мощность в 1,5 раза больше. Кроме того, в предлагаемом генераторе отпадает необходимость в сложной предварительной ступени формирования, имеющей место в прототипе и ограничивающей мощность выходного импульса.