УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ
DEVICE FOR PULSES FORMATION

Изобретение относится к системам питания ускорителей заряженных частиц прямого действия, а точнее к устройствам импульсного питания с индуктивными накопителями энергии, предназначенными, например, для генерации импульсных сильноточных (несколько десятков кА) электронных пучков большой энергии (единицы МэВ) и длительности (десятки нс).
Для импульсного питания таких ускорителей наряду с устройствами формирования мощных импульсов, выполненных на емкостных накопителях энергии, используются импульсные устройства с индуктивными накопителями энергии, которые имеют ряд преимуществ перед первыми. К достоинствам устройств импульсного питания с индуктивными накопителями можно отнести способность индуктивного накопителя трансформировать напряжение источника (в 3÷5 раз), что позволяет обходиться сравнительно низковольтным источником. Кроме того они имеют лучшие весовые и габаритные характеристики по сравнению с емкостными накопителями, так как удельная плотность запасаемой энергии в реально-достижимых магнитных полях примерно на три порядка превышает удельную плотность энергии в электрических полях, технически реализуемых при сегодняшнем уровне развития науки.
Известно устройство импульсного питания [1], содержащий источник питания, коммутатор и двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых искусственных линий с распределенными параметрами, между которыми параллельно им включена нагрузка.
Недостатком такого устройства являются большие вес и габариты. Это вызвано тем, что конденсаторы, в которых накапливается энергия, находятся длительное время под высоким напряжением источника питания, и для обеспечения их высокой электрической прочности они выполнены с большими линейными размерами их изоляционных промежутков, что и ведет к увеличению габаритов устройства.
0
u
1
2
0
н
2
пр
Прототипом изобретения является устройство импульсного питания [2], электрическая схема которого изображена на рис. 1(а). Оно содержит источник питания (U, R<<ρ), коммутатор (К) и двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий (z=z=ρ, с электрической длиной l=τ), между которыми параллельно им включена согласованная нагрузка (R=ρ/2), при этом вторая линия (z=ρ) на выходе закорочена проводником (R≈0).
0
u
0
пр
2
н
пр
0
0
н
0
н
0
u
0
Работа данного устройства происходит следующим образом. После замыкания коммутатора К начинается зарядка током от источника питания (U, R<<ρ) индуктивностей формирующих линий до значения I. Поскольку сопротивление R≈0, установленного на конце второй линии z=ρ, много меньше сопротивления нагрузки R=ρ/2 (R шунтирует нагрузку), то протекающим током в этот момент по нагрузке можно смело пренебречь. Затем коммутатор К размыкается. Возникают волновые процессы, характер которых в период времени τ<t<3τ изображен на диаграммах рис. 2. При этом на нагрузке формируется импульс со следующими параметрами: U=-I⋅ρ/2, I=I и t=2τ.
н
0
0
н
0
н
0
Недостатком такого устройства является то, что напряжение сформированного импульса U=-I⋅ρ/2 имеет противоположную полярность напряжению источника U. В реальных конструкторских решениях, где в качестве электрической изоляции часто используются полярные диэлектрические среды (например, деионизованная вода, глицерин, трансформаторное масло) и коэффициент трансформации сравнительно невысок (к ~ U/U<3), важным является обеспечение одинаковой полярности напряжения формируемого импульса U и напряжения источника U. Это позволяет уменьшить габариты и выполнить более рационально внутреннюю компоновку элементов устройства. Так, например, для ускорителей электронов, где на нагрузке - вакуумном диоде формируется импульс напряжения отрицательной полярности, для достижения сформулированных выше целей желательно и на источнике иметь ту же отрицательную полярность напряжения, так как в этом случае предельно-допустимая величина пробивной напряженности электрического поля примерно в 1,5 раза выше, чем при положительной полярности. Это сегодня успешно реализуется в большинстве существующих конструкциях ускорителей электронов на емкостных формирующих линиях.
Целью данного изобретения является устройство формирования импульсов, позволяющее посредством двойной индуктивной формирующей линии формировать на согласованной нагрузке импульс с напряжением той же полярности, что и полярность напряжения источника.
пр
2
1
0
u
1
н
2
1
Указанная цель достигается тем, что вместо R≈0 на конце второй линии z=ρ устанавливается дополнительный замкнутый коммутатор К. Электрическая схема предлагаемой системы формирования импульсов изображена на рис. 1(б). Источник питания (U, R<<ρ) подключен к входу первой формирующей линии z=ρ, к выходу которой подключены параллельно согласованная нагрузка R=ρ/2 и вход второй формирующей линии z=ρ, выход которой, в свою очередь, закорочен дополнительным замкнутым коммутатором К.
0
u
1
2
0
0
1
0
0
н
0
н
0
u
0
н
0
0
Работа устройства формирования импульсов происходит следующим образом. После замыкания коммутатора К начинается зарядка током от источника питания (U, R<<ρ) индуктивностей формирующих линий (z=z=ρ, с электрической длиной l=τ) до значения тока I. Затем дополнительный коммутатор К размыкается. Возникают волновые процессы, характер которых в период времени τ<t<3τ изображен на диаграммах рис. 3. При этом на нагрузке формируется импульс со следующими параметрами: U=I⋅ρ/2, I=I и t=2τ. Полярность напряжения сформированного на нагрузке импульса (U=I⋅ρ/2) совпадает с полярностью напряжения источника питания (U).
Источники информации
1. Патент США №4.024.430, кл. H03K 5/08, 1977.
2. Авторское свидетельство СССР №759042, кл. H05H 5/02, 1981.