ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
HIGH-VOLTAGE PULSE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для создания наносекундных компактных генераторов Аркадьева - Маркса с увеличенной длительностью выходных импульсов напряжения.
Одним из способов увеличения длительности импульсов (которая наиболее часто измеряется на половине их высоты) является их коррекция с целью формирования квазипрямоугольных импульсов. Измеренная на полувысоте длительность импульсов прямоугольной формы будет больше, чем у импульсов, например, колоколообразной или треугольной формы.
Известен каскадный генератор высоковольтных импульсов (патент RU №2102834, опубл. 20.01.1998, бюл. №2), в которых последовательно с конденсатором первого каскада включен дополнительный конденсатор. Его полярность обратна полярности конденсатора первого каскада, поэтому непосредственно после срабатывания генератора напряжение этого конденсатора вычитается из выходного напряжения генератора. Одновременно срабатывает разрядник, который включен параллельно дополнительному конденсатору через катушку индуктивности и вызывает перезарядку дополнительного конденсатора на противоположную полярность. В процессе разрядки конденсаторов генератора на нагрузку суммарное напряжение на остальных конденсаторах снижается, однако дополнительный конденсатор в результате перезарядки дает свой вклад в общее напряжение и затягивает вершину импульса. В результате импульс приобретает форму, близкую к прямоугольной, и имеет длительность большую, чем у исходного импульса.
Данный генератор создан для генерации импульсов микросекундного диапазона и неприменим для генераторов наносекундных импульсов. Наличие крутого фронта выходных импульсов в наносекундных генераторах приводит к появлению переходного колебательного процесса и разделению выходных импульсов на несколько коротких всплесков напряжения. При этом длительность импульса определяется по длительности первого всплеска напряжения, длительность которого значительно меньше длительности основного импульса. Параметры переходного процесса зависят от паразитных емкостей и индуктивностей элементов только последних каскадов генератора Аркадьева - Маркса, поэтому включение дополнительного конденсатора с перезарядкой или другого элемента внутри генератора не могут существенно повлиять на форму и длительность выходного импульса.
Наиболее близким к заявляемому является генератор высоковольтных импульсов (Крастелев Е.Г., Потоцкий А.П., Масленников СП., Школьников Э.Я. Мощные электроимпульсные системы. Часть 2. Учебное пособие. - Москва: МИФИ, 2008), содержащий металлический корпус, в котором размещены каскады с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, а также содержащий корректирующий двухзвенный LC-контур, либо LC-контур, включенный параллельно генератору. Контур подключен к выходному каскаду генератора и позволяет получать выходные импульсы микросекундного диапазона квазипрямоугольной формы.
Недостатком данного генератора является то, что в корректирующем контуре используются промышленно выпускаемые конденсаторы, которые обладают большими паразитными индуктивностями. Применение такого контура в генераторах с наносекундными фронтами не позволит подавить колебания, вызванные высокочастотными переходными процессами. Кроме того:
- применение промышленных конденсаторов создает трудность подбора емкостей конденсаторов контуров из имеющейся номенклатуры высоковольтных энергоемких конденсаторов;
- конденсаторы и катушки индуктивности LC-контура имеют большие габариты и имеют установочную энергоемкость ~20% от энергоемкости генератора, но при этом не используются как накопители энергии.
Задачей данного изобретения является создание компактного наносекундного генератора высоковольтных импульсов с увеличенной длительностью.
Техническим результатом является подавление высокочастотных колебаний переходного процесса, возникающего на переднем фронте выходных наносекундных импульсов напряжения генератора, а также снижение габаритов устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным генератором высоковольтных импульсов, содержащим металлический корпус, в котором размещены каскады с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, а также содержащим LC-контур, корректирующий форму импульса, при этом контур содержит конденсатор и катушку индуктивности, генератор через LC-контур подключен к нагрузке, новым является то, что корпус содержит дополнительный металлический патрубок, в котором соосно с ним расположены конденсатор и катушка индуктивности LC-контура, причем конденсатор выполнен в виде металлического стакана с конструктивной емкостью относительно внутренней поверхности патрубка, катушка индуктивности выполнена в виде жесткой цилиндрической спирали, диаметр которой, по меньшей мере, в три раза меньше внутреннего диаметра стакана, катушка включена между выходным каскадом генератора и нагрузкой, дно стакана соединено с местом подключения катушки к нагрузке, катушка по своей длине не более чем наполовину размещена внутри стакана.
Размещение элементов LC-контура (конденсатора и катушки индуктивности) в дополнительном металлическом патрубке позволяет:
- снизить габариты генератора благодаря возможности подбора оптимального соотношения диаметров патрубка и элементов LC-контура с целью обеспечения их плотной компоновки;
- экранировать элементы LC-контура от каскадов генератора и тем самым уменьшить влияние переходных процессов в генераторе на форму выходного импульса.
При указанном соединении конденсатора и катушки формируется Г-образный сглаживающий фильтр, который включен последовательно с ускорительной трубкой и препятствует прохождению в нее высокочастотных колебаний.
Выполнение конденсатора LC-контура с конструктивной емкостью относительно внутренней поверхности патрубка позволяет:
- повысить ресурс конденсатора благодаря применению жидкой или газовой изоляции, которая обладает свойством самовосстановления электропрочности;
- обеспечить оптимальные габариты конденсатора с целью обеспечения плотной компоновки LC-контура;
- снизить паразитную индуктивность конденсатора и вносимые ей искажения выходного импульса.
Выполнение катушки индуктивности LC-контура в виде жесткой цилиндрической спирали без несущего каркаса позволяет значительно повысить электропрочность, ресурс катушки и снизить ее габариты.
Ограничение диаметра катушки связано с тем, что при малом диаметре она обладает преимущественно индуктивным сопротивлением, которое растет с увеличением частоты приложенного к ней напряжения. Это обеспечивает эффективное подавление высокочастотных колебаний LC-контуром. При увеличении диаметра катушка приобретает заметные свойства спиральной линии и начинает передавать на ускорительную трубку импульсы с крутым фронтом, которые LC-контур пропускать не должен.
Частичное расположение катушки внутри стакана-конденсатора позволяет сократить длину LC-контура и, следовательно, габариты генератора. Однако расположение катушки более чем наполовину внутри стакана приводит к активному взаимодействию паразитных емкостей между катушкой и стаканом, что приводит к искажению выходного импульса генератора.
Таким образом, в данном изобретении использование перечисленных отличительных признаков приводит к реализации указанного технического результата.
На фиг. 1 показана конструкция генератора, где
1 - каскадный генератор импульсных напряжений (ГИН) Аркадьева - Маркса;
2 - корпус генератора;
3 - патрубок;
4 - ускорительная трубка;
5 - катушка индуктивности;
6 - стакан, образующий конденсатор LC-контура с конструктивной емкостью относительно внутренней поверхности патрубка 3;
7 - высоковольтный шток.
На фиг. 2 показана эквивалентная схема заявляемого генератора, где
L - зарядные катушки индуктивности ГИН;
С - конденсаторы каскадов ГИН;
Ρ - разрядники каскадов ГИН;
Lк - катушка LC-контура;
Ск - конденсатор LC-контура;
Rн - нагрузка (ускорительная трубка).
На фиг. 3 показан расчетный идеализированный импульс выходного напряжения ГИН при отсутствии переходного процесса.
На фиг. 4, 5, 6 приведены экспериментально полученные осциллограммы импульсов выходного напряжения ГИН на 1 MB.
На фиг. 4 показан импульс выходного напряжения ГИН при наличии переходного процесса без LC-контура.
На фиг. 5 показан импульс выходного напряжения ГИН с LC-контуром при отношении диаметра катушки индуктивности 7 к диаметру стакана, равном 1.
На фиг. 6 показан импульс выходного напряжения ГИН с LC-контуром при отношении диаметра катушки индуктивности 7 к диаметру стакана, равном 0.3.
Заявляемый генератор, изображенный на фиг. 1, содержит ГИН Аркадьева - Маркса 1, расположенный в металлическом корпусе 2. На боковой поверхности корпуса выполнен металлический патрубок 3, в котором располагаются ускорительная трубка 4 и элементы LC-контура (катушка индуктивности 5 и конденсатор, образованный стаканом 6 и патрубком 3). Катушка индуктивности 5 одним концом подключена к последнему каскаду ГИН, другим подключена к трубке 4 через шток 7.
Эквивалентная схема заявляемого генератора показана на фиг. 2. Генератор работает следующим образом. После срабатывания каскадных разрядников Ρ конденсаторы С включаются в последовательную цепочку, которая разряжается на нагрузку Rн. В случае если паразитные индуктивности и емкости отсутствуют, нагрузка чисто активная и LC-контур не подключен, импульс напряжения на нагрузке будет представлять собой классический экспоненциальный RC-разряд (фиг. 3). В реальности наличие паразитных параметров приводит к появлению переходного процесса с высокочастотными колебаниями, разделяющих выходной импульс на несколько коротких всплесков напряжения (фиг. 4). Катушка 5 и стакан 6 на фиг. 1 и соответствующие им индуктивность Lк и емкость Ск образуют Г-образный сглаживающий фильтр (фиг. 2), который служит для подавления высокочастотных колебаний переходного процесса.
Заявляемая конструкция корректирующего LC-контура была испытана в компактном наносекундном ускорителе электронов на напряжение 1 MB с емкостью разрядного контура 85 пФ. При этом выяснилось, что форма импульса тока электронов за окном трубки в большой степени зависит от соотношения диаметров катушки 5 и стакана 6. При равных диаметрах катушка 5 работает как спиральная линия, по которой на нагрузку передаются импульсы с крутым фронтом, что соответствует наличию высокочастотных колебаний; в этом случае сглаживания выходного импульса практически не происходит (фиг. 5). Хорошие результаты были получены с катушкой, диаметр которой был в три раза меньше внутреннего диаметра стакана (фиг. 1). Удаление поверхности катушки 5 от внутренней поверхности патрубка 3 позволило практически устранить влияние распределенной емкости катушки, в результате чего катушка стала работать практически как чистая индуктивность, обеспечивающая эффективное подавление высоких частот. Расположение катушки 5 наполовину внутри стакана 6 позволило заметно сократить длину патрубка 3. Однако еще большее заглубление снова приводило к проявлению волновых свойств катушки и искажению импульса.
На заявляемом генераторе с помощью описанного LC-контура были получены импульсы электронов, типичная форма которых показана на фиг. 6. Если длительность импульсов на полувысоте без LC-контура (фиг. 4) составляла 3.5 нс, то с применением контура (фиг. 6) длительность удалось увеличить до 8 нс, т.е. в 2.3 раза. Корректирующий контур составляет всего около 5% от общего объема генератора и пригоден для использования в компактных наносекундных ГИН Аркадьева - Маркса.