УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ
HIGH-CURRENT PULSE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц и устройствах для формирования сильноточных импульсов.
Известны устройства формирования сильноточных импульсов на основе генератора Аркадьева-Маркса, в которых устройство запуска трехэлектродных разрядников первых каскадов собрано в отдельном блоке, а пусковой импульс поступает на управляющие электроды разрядников по передающему кабелю (Герасимов А.И., Федоткин А.С., Зенков Д.И., Назаренко С.Т. Надежный экранированный генератор Аркадьева-Маркса на 500 кВ и 6.25 кДж со стабильным временем задержки срабатывания. // ПТЭ №1, 1998 г - С.96-100), (Герасимов А.И., Гордеев B.C. и др. Экранированный генератор импульсного напряжения 800 кВ и энергии 32 кДж. // ПТЭ №6, 2005 г - С.21-27).
Недостатками подобных устройств является то, что сам по себе блок формирования запускающих импульсов является сложным и дорогостоящим прибором, а передача импульсов амплитудой десятки и сотни киловольт требует применения кабеля с высокой электропрочностью его изоляции, что увеличивает массу (что особенно критично для малогабаритных устройств), стоимость устройства и снижает его надежность.
Известны устройства формирования сильноточных импульсов, в которых пусковые импульсы для разрядников, подключающих энергозапасающие конденсаторы к нагрузке, формируются непосредственно в высоковольтном блоке устройства (Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Иванов В.М., Артюх В.Г. Тригатроны на 400 кВ для мощных низкоиндуктивных генераторов импульсов. // ПТЭ №1, 2008 г - С.78-86). При этом непосредственно от энергозапасающих конденсаторов происходит зарядка пускового конденсатора (входящего в состав устройства для запуска), который после срабатывания неуправляемого разрядника подключается к импульсному пусковому трансформатору.
Недостатками этих устройств является то, что напряжение зарядки пускового конденсатора и напряжение срабатывания неуправляемого разрядника равно полному напряжению зарядки энергозапасающих конденсаторов. Поэтому использование данной схемы запуска в портативных устройствах формирования сильноточных импульсов сопряжено с потерями энергии, сравнимыми с энергозапасом всего устройства, который, как правило, не превышает 100 Дж.
Наиболее близким к заявляемому и с наименьшими потерями энергии на управление трехэлектродным коммутирующим разрядником является устройство формирования сильноточных импульсов (К.А. Желтов. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - Москва, Энергоатомиздат, 1991 - С.85-93), содержащее импульсный зарядный трансформатор и разрядный контур, включающий в себя, по меньшей мере, один заряжаемый от зарядного трансформатора энергозапасающий конденсатор и, по меньшей мере, один управляемый трехэлектродный разрядник, а также содержащее устройство для запуска трехэлектродного разрядника. В данном устройстве пусковой импульс формируется на нелинейной катушке индуктивности, включенной последовательно в цепь зарядки энергозапасающего конденсатора. Во время протекания зарядного тока магнитопровод катушки насыщается, и она имеет настолько малую индуктивность, что падение напряжения на ней практически равно нулю. В момент полной зарядки конденсатора, когда зарядный ток уменьшается до некоторого критического значения, магнитопровод выходит из насыщения, индуктивность катушки резко возрастает, и на ней формируется высоковольтный импульс, используемый для запуска трехэлектродного разрядника.
Недостатками устройства является сложность расчетов и настройки элементов устройства для запуска, ограничение амплитуды пускового импульса (не более половины напряжения зарядки энергозапасающего конденсатора), отсутствие возможности изменять полярность и временную привязку формирования пускового импульса (в указанном устройстве импульс формируется только за вершиной, на спаде импульса напряжения зарядки энергозапасающего конденсатора, что снижает надежность срабатывания управляемого разрядника).
В данном изобретении решалась задача создания надежного устройства формирования сильноточных импульсов с простой, стабильной и экономичной схемой управления трехэлектродным разрядником, подключающим энергозапасающий конденсатор к нагрузке.
Техническим результатом является снижение трудозатрат на разработку устройства, повышение стабильности его выходного напряжения и надежности работы.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством формирования сильноточных импульсов, содержащим импульсный зарядный трансформатор и разрядный контур, включающий в себя, по меньшей мере, один заряжаемый от зарядного трансформатора энергозапасающий конденсатор и, по меньшей мере, один управляемый трехэлектродный разрядник, а также содержащее устройство для запуска трехэлектродного разрядника, новым является то, что устройство запуска трехэлектродного разрядника содержит поджигающий импульсный трансформатор и подключенные к его первичной обмотке конденсатор и неуправляемый двухэлектродный разрядник, причем конденсатор подключен также к отводу вторичной обмотки зарядного трансформатора через резистор, а высоковольтный вывод вторичной обмотки поджигающего трансформатора соединен с пусковым электродом трехэлектродного разрядника; длительность фронта импульса выходного напряжения поджигающего трансформатора не превышает 10% от длительности фронта импульса выходного напряжения зарядного трансформатора.
Наличие поджигающего короткопериодного импульсного трансформатора позволяет формировать пусковой импульс требуемой амплитуды и с малой длительностью переднего фронта напряжения. Это требуется для надежного срабатывания трехэлектродного разрядника при обеспечении достаточного коэффициента запаса по напряжению самопробоя, что гарантирует отсутствие несакционированных пробоев разрядника до прихода пускового импульса. Магнитопровод поджигающего трансформатора может быть выполнен из феррита практически любой доступной марки и не требует применения пермаллоя или аналогичного магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса и большим значением индукции насыщения.
Пусковой конденсатор, подключаемый к первичной обмотке поджигающего трансформатора, заряжается через сравнительно низковольтный отвод вторичной обмотки зарядного трансформатора. Поэтому напряжение его зарядки в несколько раз меньше напряжения зарядки энергозапасающего конденсатора. Таким образом, двухэлектродный разрядник, который подключает пусковой конденсатор к поджигающему трансформатору, работает в слаботочном режиме и коммутирует энергию, которая значительно (в 20-50 раз) меньше энергии энергозапасающего конденсатора. При малых величинах коммутируемой энергии двухэлектродный разрядник работает стабильно, что обеспечивает малый разброс напряжений пробоя трехэлектродного разрядника и выходного напряжения устройства формирования сильноточных импульсов.
Резистор, через который пусковой конденсатор подключен к отводу вторичной обмотки зарядного трансформатора, позволяет гасить паразитные высокочастотные колебания, возникающие на пусковом конденсаторе во время переходных процессов в зарядном трансформаторе. Эти колебания возникают при подаче на первичную обмотку зарядного трансформатора напряжения питания с крутым фронтом и приводят к увеличению временной нестабильности срабатывания двухэлектродного разрядника и, вследствие этого, возрастанию нестабильности напряжения срабатывания трехэлектродного разрядника. Кроме того, путем изменения сопротивления резистора можно устанавливать заданный момент времени подачи пускового импульса относительно вершины импульса напряжения зарядки энергозапасающего конденсатора. В оптимальном варианте требуется небольшое опережение пускового импульса. В этом случае повышается надежность срабатывания трехэлектродного разрядника, поскольку при наличии задержки срабатывания, во всем временном интервале задержки напряжение на разряднике будет возрастать, а не уменьшаться, как это имеет место в устройстве по прототипу. Поэтому в заявляемом устройстве значительно снижена вероятность пропусков срабатывания трехэлектродного разрядника. Кроме того, это дает возможность эксплуатировать разрядник с большим коэффициентом запаса напряжения самопробоя по отношению к рабочему напряжению, что также способствует повышению надежности.
Из-за отсутствия нелинейных элементов расчет, наладка и настройка устройства на определенное выходное напряжение производится значительно проще, чем в устройстве по прототипу.
Таким образом, в данном изобретении при использовании перечисленных отличительных признаков реализуется указанный технический результат.
На фиг.1 показана схема заявляемого устройства на примере каскадного генератора Аркадьева-Маркса с трехэлектродным управляемым разрядником в первом каскаде, где:
1 - импульсный зарядный трансформатор;
2 - импульсный поджигающий трансформатор;
3 - энергозапасающие конденсаторы;
4 - конденсатор устройства запуска;
5 - трехэлектродный управляемый разрядник;
6 - двухэлектродный неуправляемый разрядник;
7 - разрядники каскадов генератора;
8 - резистор;
9 - зарядные катушки индуктивности;
10 - нагрузка.
На фиг.2 приведена зависимость характерного изменения формы импульса напряжения зарядки пускового конденсатора от сопротивления резистора 8, где:
11 - импульс напряжения зарядки энергозапасающего конденсатора;
12 - импульс напряжения зарядки пускового конденсатора;
1
τ - момент времени подачи пускового импульса;
2
τ - момент времени, совпадающий с вершиной импульса напряжения зарядки энергозапасающего конденсатора;
а - при меньшем сопротивлении резистора 8;
б - при большем сопротивлении резистора 8.
На фиг.3 приведены осциллограммы импульсов напряжения зарядки энергозапасающих и пускового конденсаторов при срабатывании разрядников 5 и 6 для разных значений амплитуды выходного напряжения зарядного трансформатора (сопротивление резистора 8 равно 1500 Ом):
а - при амплитуде выходного напряжения зарядного трансформатора 90 кВ;
б - при амплитуде выходного напряжения зарядного трансформатора 110 кВ.
На фиг.4 показан график прогнозируемой зависимости напряжения срабатывания управляемого разрядника от величины сопротивления резистора 8; кружками обозначены экспериментально полученные точки, соответствующие соотношениям напряжений зарядки конденсаторов 3 и 4.
1
2
н
Заявляемое устройство (фиг.1) работает следующим образом. При подаче питания на первичную обмотку импульсного зарядного трансформатора 1 происходит одновременная зарядка энергозапасающих конденсаторов 3 и пускового конденсатора 4. В момент времени τ (фиг.2), с некоторым опережением по отношению к τ, конденсатор 4 заряжается до напряжения пробоя разрядника 6, что приводит к его срабатыванию и подключению конденсатора 4 к первичной обмотке поджигающего короткопериодного трансформатора 2. При этом на вторичной обмотке трансформатора формируется импульс напряжения, который подается на управляющий электрод разрядника 5 и приводит к его пробою. Это вызывает последовательное срабатывание разрядников 7 каскадного генератора и формирование на нагрузке 10 импульса напряжения U, амплитуда которого в N раз (где N - количество каскадов генератора) превышает зарядное напряжение. Благодаря малой индуктивности первичной обмотки поджигающего трансформатора 2 длительность пускового импульса во много раз меньше длительности зарядного импульса, что обеспечивает малый временной разброс срабатывания разрядника 5.
2
1
2
Пусковой конденсатор 4 подключен к сравнительно низковольтному отводу вторичной обмотки трансформатора 1, поэтому напряжение зарядки пускового конденсатора в несколько раз меньше напряжения зарядки энергозапасающих конденсаторов 3. Таким образом, двухэлектродный разрядник 6, по сравнению с разрядниками 5 и 7, работает в менее сильноточном режиме, что позволяет обеспечить малый разброс напряжений срабатывания и большой ресурс работы, как разрядника, так и заявляемого устройства. Опережение подачи пускового импульса по отношению к моменту времени τ позволяет обеспечить временной интервал (равный удвоенному интервалу между τ и τ), в течение которого напряжение на трехэлектродном разряднике 5 не снижается. Это дает возможность компенсировать влияние задержки развития пробоя и обеспечить надежное срабатывание разрядника 5, а также увеличить диапазон его рабочих напряжений в отличие от устройства по прототипу, в котором непосредственно после подачи пускового импульса напряжение на трехэлектродном разряднике снижается.
1
В заявляемом устройстве путем одновременного изменения сопротивления резистора 8 и питающего напряжения на первичной обмотке зарядного трансформатора можно изменять амплитуду импульса напряжения на нагрузке. На фиг.2 приведены осциллограммы импульсов напряжения зарядки энергозапасающих конденсаторов 3 и пускового конденсатора 4, из которых видно, что при увеличении сопротивления резистора, напряжение на пусковом конденсаторе в момент времени τ снижается. Поддержание его на прежнем уровне, достаточном для срабатывания схемы управления, будет возможным только при увеличении питающего напряжения на первичной обмотке зарядного трансформатора, что приведет к увеличению напряжения срабатывания трехэлектродного разрядника. Таким образом, путем увеличения сопротивления резистора 8 можно в определенных пределах (примерно на 30%) увеличивать амплитуду импульса напряжения на нагрузке 10.
Выходное напряжение устройства примерно на 20% можно изменять и при фиксированном сопротивлении резистора 8 путем вариации выходного напряжения зарядного трансформатора 1 при изменении формы импульса зарядки энергозапасающих конденсаторов 3 (фиг.3). Это влечет за собой пробой трехэлектродного разрядника 5 либо вблизи вершины (фиг.3, а) при минимальном напряжении, либо на фронте импульса (фиг.3, б) при максимальном напряжении.
Заявляемое устройство было изготовлено, представляло собой источник импульсного питания электронной ускорительной трубки, собранный по схеме Аркадьева-Маркса, и испытано при следующих параметрах его элементов:
- импульсный зарядный трансформатор (1) собран на двух магнитопроводах ПЛ20×40×100, первичная обмотка содержит 20 витков, вторичная обмотка - 360 витков, отвод выполнен на 120 витках;
- импульсный поджигающий трансформатор (2) имеет разомкнутый трубчатый магнитопровод (склеенный из 6 ферритовых колец М2000НМ1-1709891 25×40×11), первичная обмотка содержит 20 витков, вторичная - 100 витков;
- энергозапасающие конденсаторы (3) - 50 шт. керамических конденсаторов К15-10-31.5 кВ-3300 пФ, включенных параллельно-последовательно, общая зарядная емкость 6600 пФ;
- конденсатор устройства запуска (4) - 2 последовательно включенных конденсатора К15-10-31.5 кВ-3300 пФ, общая емкость 1650 пФ;
- управляемый трехэлектродный разрядник (5) - металлокерамический водородный разрядник тригатронного типа, напряжение самопробоя 140-150 кВ;
- неуправляемый разрядник (6) - двухэлектродный металлокерамический водородный разрядник, напряжение самопробоя 40 кВ;
- неуправляемые разрядники (7) - двухэлектродные металлокерамические водородные разрядники на напряжение самопробоя 140-160 кВ кВ;
- резистор (8) - высоковольтный резистор ТВО-5;
- зарядные катушки индуктивности(9) - катушки, намотанные с шагом 0.5 мм на столбиках из органического стекла диаметром 16 мм (120 витков, индуктивность ≈50 мкГн);
- нагрузка (10) - электронная трубка ИА-9.
Заявляемое устройство обеспечивало формирование импульсов напряжения на трубке до 1200 кВ с разбросом не более 1% при величине доверительной вероятности 0.98 (в устройстве по прототипу указана погрешность 3%). Для облегчения расчетов выходного напряжения по экспериментально полученным соотношения напряжений зарядки энергозапасающих и пускового конденсаторов был построен график прогнозируемой зависимости напряжения срабатывания управляемого разрядника от величины сопротивления резистора 8 (фиг.4). По этому графику легко определить сопротивление резистора, необходимое для обеспечения пробоя трехэлектродного разрядника при заданном напряжении.
Таким образом, заявляемое устройство, по сравнению с устройством по прототипу, позволяет снизить трудозатраты на разработку и расчет параметров основных элементов, повысить стабильность выходного напряжения и надежность работы.