ФОРМИРОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ
ELECTRIC PULSE SHAPER

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в ускорительной технике, физике плазмы, радиационной физике, в атомной физике, медицине, химии, физике твердого тела, и других импульсных сильноточных устройствах.
th
Известен формирователь электрических импульсов [B.C. Босамыкин, B.C. Гордеев, А.И. Павловский и др. «Импульсный ускоритель электронов СТРАУС-2», Proceedings 9 IEEE Intern. Pulsed Power Conf. 1993. P.910-912.], выполненный на основе формирующей линии, образованной однородными линиями одинаковой электрической длины с различными импедансами.
Недостатком известного формирователя импульсов являются то, что на нагрузке формируется однополярный прямоугольный импульс.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения присуща известному формирователю электрических импульсов [А.И. Павловский, Г.В. Склизков «Получение прямоугольных импульсов высокого напряжения». ПТЭ. 1962. №2. С. 98-100]. Формирователь импульсов, содержит электрически связанные между собой генератор прямоугольных импульсов, одинарные формирующие линии и нагрузку.
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что на нагрузке формируется однополярный прямоугольный импульс.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание схемы формирователя электрических импульсов, которая позволит формировать на нагрузке двухполярный импульс определенной длительности.
Техническим результатом изобретения является получение на нагрузке двухполярного импульса напряжения одинаковой величины.
H
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что формирователь электрических импульсов, содержит электрически связанные между собой генератор прямоугольных импульсов, одинарные формирующие линии и нагрузочное сопротивление. Согласно изобретению к одинарной формирующей линии, имеющей волновое сопротивление равное Z/2, подключены параллельно две одинарные формирующие линии с волновыми сопротивлениями равными Z, одинаковой электрической длины  где τ - временной масштаб формируемого электрического импульса, ν - скорость распространения электромагнитной волны, у одной из них конец закорочен, а у другой на конце расположено нагрузочное сопротивление R>>Z.
Применение одинарной формирующей линии (ОФЛ) с волновым сопротивлением равным Z/2, обеспечивает согласованность данной линии с нагрузкой, состоящей из двух параллельно включенных ОФЛ, имеющих волновое сопротивление Z.
Применение двух одинарных формирующих линий с волновыми сопротивлениями равными Z, одинаковой электрической длины  приводит к интерференции электрических импульсов, циркулирующих в формирователе, в конечном итоге, это позволяет сформировать на нагрузке двухполярный импульс.
У одной из одинарных формирующих линий, с волновыми сопротивлениями равным Z, конец закорочен, это приводит к тому, что отражение электрического импульса происходит с изменением его полярности.
H
У другой одинарной формирующей линии, с волновым сопротивлением равным Z, на конце расположено нагрузочное сопротивление R>>Z, это приводит к тому, что отражение электрического импульса происходит с сохранением полярности.
На Фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема формирователя электрических импульсов, где:
1 - генератор прямоугольных импульсов;
2 - одинарная формирующая линия (передающая линия);
3 - узел соединения линий;
4а - одинарная формирующая линия;
4б - одинарная формирующая линия;
5 - закорачивающий элемент;
6 - нагрузочное сопротивление.
0
Величина напряжения, формируемого на нагрузочном сопротивлении, представлена на Фиг. 2. Отсчет времени на графике начинается, когда импульс напряжения U и длительностью 2τ по передающей линии 2 приходит к узлу соединения линий 3.
H
Формирователь электрических импульсов состоит из генератора импульсов 1, к которому подключена передающая линия 2, имеющая волновое сопротивление равное Z/2. К передающей линии 2 посредством узла соединения 3 параллельно подключены две одинаковые одинарные формирующие линии 4а и 4б с волновыми сопротивлениями равными Z, одинаковой электрической длины  где τ - временной масштаб формируемого электрического импульса, ν - скорость распространения электромагнитной волны. На конце формирующей линии 4б размещен закорачивающий элемент 5. На конце линии 4а расположено нагрузочное сопротивление 6 с величиной R>>Z.
Устройство работает следующим образом:
0
0
1. В момент времени t=0 в ОФЛ 4а и ОФЛ 4б начинает поступать из передающей линии 2 импульс с напряжением U и током I=U/Z Длительность этого сигнала составляет 2τ.
0
2. В момент времени t=τ импульс, распространяющийся по ОФЛ 4б, отражается от закорачивающего элемента 5. При этом у отраженного сигнала напряжение противоположного знака по отношению к импульсу поступающему в ОФЛ 4б, а токи одного направления. За фронтом отраженной волны напряжение в линии равно нулю, а ток удваивается и достигает величины равной I=2U/Z.
H
0
0
3. В момент времени τ импульс, распространяющийся по ОФЛ 4а, отражается от нагрузочного сопротивления. У отраженного сигнала полярность по знаку совпадает с полярностью сигнала, поступающего в ОФЛ 4а, а токи противоположного направления. За фронтом отраженной волны напряжение в линии равно удвоенному напряжению U=2U, а ток равен нулю. На нагрузке появляется напряжение 2U.
0
2
пр
0
4. В момент времени 2τ к узлу соединения линий 3 из ОФЛ 4б подходит импульс напряжения равный - U. Этот импульс встречает в качестве нагрузки две параллельно включенные ОФЛ 2 и ОФЛ 4а с общим сопротивлением R=Z/3. Этот импульс формирует в нагрузках (ОФЛ 2 и 4а) импульс напряжения U=-U/2. Импульс, отраженный обратно в линию 4б равен
0
2
пр
0
отр
0
5. В момент времени 2τ к узлу соединения линий 3 из ОФЛ 4а подходит импульс с напряжением равным U. Этот импульс встречает в качестве нагрузки две параллельно включенные ОФЛ 2 и ОФЛ 4б, с общим сопротивлением R=Z/3. Этот импульс генерирует на нагрузке, состоящей из подключенных параллельно линий 2 и 4б импульс напряжения U=U/2. Часть поступающего из ОФЛ 4а сигнала отражается обратно величиной U=-U/2.
6. С момента времени 2τ из ОФЛ 2 в ОФЛ 4а и ОФЛ 4б перестает поступать сигнал.
0
0
0
7. При 2τ<t<4τ в линию 4а из линии 4б приходит импульс величиной - U/2 и отраженный сигнал - U/2. В результате с момента времени 2τ в ОФЛ 4а от узла соединения линий 3 начинает распространяться волна с напряжением - U.
0
0
8. С момента времени 2τ в ОФЛ 2 из ОФЛ 4а поступает импульс величиной U/2, а из ОФЛ 4б импульс величиной - U/2. Как результат в ОФЛ 2 не поступает электромагнитная энергия из линий 4а и 4б.
0
0
0
9. В момент времени 2τ в ОФЛ 4б из ОФЛ 4а проходит сигнал величиной U/2, и отраженный от узла ввода с напряжением U/2. Как результат, по линии 4б от узла ввода к закорачивающему элементу 5 движется волна с напряжением U.
0
0
0
10. В интервале времен от 2τ до 4τ из ОФЛ 4б к узлу соединения линий 3 приходит импульс - U, который возбуждает в ОФЛ 4а сигнал величиной - U/2, а также в ОФЛ 4а возникает отраженный импульс величиной U/2.
H
0
0
11. В момент времени 3τ на нагрузочное сопротивление R 6 приходит импульс - U, который отражается и на нагрузке формируется импульс - 2U, длительность которого составляет 2τ.
0
0
пр
0
отр
0
12. В момент времени 4τ к узлу соединения линий 3 со стороны ОФЛ 4а приходит импульс - U и от ОФЛ 4б тоже - U. В ОФЛ 4а из ОФЛ 4б проходит импульс U=-U/2 и одновременно происходит отражение от ввода в ОФЛ 4а U=U/2, следовательно, в ОФЛ 4а сигнал с момента времени 4τ не поступает.
13. В момент времени 5τ прекращается подача сигнала на нагрузочное сопротивление.
Работоспособность заявляемого технического решения проверена экспериментально. Опытный образец формирователя электрических импульсов выполнен следующим образом.
Передающая линия выполнена из двух равных отрезков коаксиального кабеля РК-50-4-13 с волновым сопротивлением 50 Ом. Обе формирующие линии (4а и 46) каждая длиной девять метров изготовлены из того же кабеля РК-50-4-13.
В качестве генератора прямоугольных импульсов применялся Stanford Research (DG 645). Сопротивление нагрузки составило 2 кОм. Регистрация сигнала с нагрузочного сопротивления осуществлялась посредством осциллографа TDS 6604. В результате был получен импульс аналогичный представленному на Фиг. 2.
Таким образом, формирователь электрических импульсов позволяет формировать на нагрузке двух полярный импульс определенной длительности и с короткими передним и задним фронтами.