Генераторы импульсов наносекундной длительности в современных технологических процессах

С.С. Сивцев, ВЛ. Шалимов. Генераторы импульсов наносекундной длительности...

103

УДК 621.373.54

С.С. Сивцев, В.А. Шалимов

Генераторы импульсов наносекундной длительности в современных технологических процессах

Рассматриваются области применения генераторов импульсов наносекундной длительности. Показано, что диапазон длительностей и мощностей формируемых импульсов чрезвычайно широк и делаются выводы об актуальности исследований и разработок в области формирования мощных и коротких импульсов.

Для генерирования наносекундных импульсов развиты два подхода, различающиеся по способу накопления энергии: накопление в емкостных накопителях (малоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии) с последующей передачей энергии в нагрузку через замыкающий ключ; накопление в магнитном поле индуктивного контура с током. В последнем случае для передачи энергии в нагрузку необходимо осуществить наносекундное размыкание большого тока. Первый метод представляет большой интерес для мощной импульсной техники, поскольку плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях на полтора-два порядка больше, чем в емкостных, существенно меньше их стоимость и, что тоже существенно, импульсное напряжение на нагрузке при обрыве тока может быть значительно выше, чем напряжение на предварительных ступенях формирования импульса. Однако быстрый обрыв больших токов, когда требуется размыкать токи в десятки килоампер при импульсном напряжении мегавольтового уровня, является значительно более сложным, чем быстрое замыкание токов [1].

Для формирования, преобразования и передачи наносекундных импульсов применяются линии передачи, которые обеспечивают передачу наносекундных видеоимпульсов с шириной спектра вплоть до гигагерц. В основе их использования в импульсной технике наносекундно-го диапазона лежат два основных свойства: 1) в однородных линиях передачи при условии двустороннего согласования импульс может распространяться по линии без искажений; 2) входное сопротивление отрезка линии передачи при этом является чисто омическим.

Однако при этом необходимо, чтобы линии обладали малыми потерями, а неоднородности в них не оказывали существенного влияния на передачу сигналов.

В технике формирования мощных наносекундных импульсов с амплитудой напряжения от единиц до сотен киловольт используются коаксиальные и полосковые линии. При генерировании импульсов напряжений до 106 В и более используются коаксиальные линии с жидкой изоляцией (трансформаторное масло, глицерин, вода). При генерировании импульсов большого тока с амплитудой до когда волновое сопротивление линий должно быть

малым, применяются полосковые линии передачи [2].

Нанотехнологии предъявляют к выходным параметрам радиоэлектронной аппаратуры все более жесткие требования по выходной мощности, длительности генерируемых импульсов, частоте повторения импульсов. Расширяются области применения импульсов нано- и пикосе-кундной длительности. Как показывает обзор современных литературных источников, для медицины разработаны и широко используются лазерные скальпели и другая медицинская аппаратура на лазерах со следующими параметрами: длительность импульсов от 5 не до миллисекунд, выходная мощность до 50 Вт, скважность импульсов 2000 [3, 4].

Озонаторы с генераторами импульсов наносекундной длительности применяются для санитарной очистки воды и воздуха, при этом уничтожаются все виды микроорганизмов и вирусов. Требуемая выходная мощность превышает 50 кВт, а при длительности импульсов меньше 500 не отпадает необходимость осушки воздуха [5]. Подобные устройства используются сотрудниками МЧС для очистки помещений от паров ртути (демеркуризация), уничтожения запахов (дезодорация) [6].

Активно-импульсные приборы ночного видения позволяют повысить контраст в изображении наблюдаемого объекта, а значит, и дальность действия прибора за счет: 1) отсечения задержкой излучения обратного рассеяния, которое в обычных активных приборах ночного видения накладывается на изображение наблюдаемого объекта и снижает контраст в его

104

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

изображении даже при нормальной или незначительно ухудшенной прозрачности атмосферы; 2) ослабления, равного скважности работы прибора, рассеянного в атмосфере излучения, определяемого уровнем естественной освещенности [7].

Телевизионная система наблюдения с импульсной подсветкой лазерным прожектором является новым поколением ТВ-средств наблюдения, позволяющим работать в сложных условиях видимости, а также обеспечивать регистрацию характеристик только нужного объекта наблюдения либо его части, благодаря селекции изображения по дальности в пределах очень узкой глубины просматриваемого пространства (зоны выделения).

Для телевизионных активных систем наблюдения в условиях плохой видимости для возбуждения источников подсветки при < 30 не требуются мощности для дальностей 1-2 км Р < 2-3 кВт, а для стробирования телевизионных камер и электронно-оптических преобразователей (ЭОП) необходимо формировать импульсы длительностью £и < 30 не при С/ = 300-600 В.

Кафедрой телевидения и управления ТУСУРа совместно с Институтом оптики атмосферы СО РАН были разработаны активно-импульсные телевизионные системы «Зонд» и «Обзор», в которых использованы генераторы наносекундных импульсов со следующими параметрами: ¿и = 30-120 не, Ри = 2 кВт, дальность действия 200-2000 м [8].

Подобные устройства созданы в ОАО «НПП "ГАММА"» со следующими параметрами: £и = 3-30 не, Ри = 10-15 МВт, дальность действия до 5 км [9].

Для навигации в ближней зоне сотрудникам МЧС необходимы устройства для обнаружения бойца в задымленных помещениях на расстояниях единиц метров, при этом требуемая длительность импульсов не должна превышать 1 не.

Установлены закономерности воздействия мощных наносекундных электромагнитных импульсов на структуру и свойства формовочных материалов и литейных сплавов.

Одним из эффективных направлений развития точного литья выступает разработка нано-гехнологий, основанных на использовании физико-химико-механических воздействий на суб-микро-, мезо-, атомную структуру формовочных материалов и сплавов. В этом отношении представляет теоретический и практический интерес применение в процессах формообразования и плавки литейных сплавов наносекундных электромагнитных импульсов. Они образуют локальные поля высоких мощностей 1,5...7,0 МВт и напряженности от 103 до 107В/м и тем самым создают условия для управления микроструктурой и комплексом свойств, керамических форм и отливок [10, 11, 12].

Помимо этого в настоящее время в процессах точного литья широкое применение нашли гидролизованные растворы этилсиликата (ЭТС) и жидкое стекло. При воздействии наносекун-дного электромагнитного излучения (НЭМИ) в 2,0...2,5 раза ускоряется процесс гидролиза ЭТС, увеличивается более чем в 1,5 раза прочность керамических форм, в том числе при высоких температурах. Одним из эффективных направлений повышения точности и прочности керамических форм на ЖС в «горячем» состоянии является использование высокомодульного жидкостекольного связующего. Его высокоскоростная и экономичная подготовка может быть осуществлена по принципу симбиоза электроимпульсной и мембранной технологий. Установлено явление ускорения в поле НЭМИ электродиализа растворов ЖС с сохранением их агрегативной устойчивости.

Для создания сверхмощных генераторов наносекундных импульсов современная радиоэлектронная промышленность выпускает БОв-диоды со следующими характеристиками: рабочее напряжение 60-250 кВ, импульсный ток до 3 кА, длительность импульса 20-60 не [13].

Обзор литературы показывает, что области применения генераторов импульсов наносе-кундной длительности непрерывно расширяются, возникает потребность в формировании все более коротких и мощных импульсов, уменьшении габаритов и увеличении эффективности работы генераторов импульсов. Следовательно, задача создания генераторов нано- и пикосе-кундной длительности является актуальной, тем более, что выпускавшиеся ранее генераторы промышленностью не производятся, а современных чрезвычайно мало.

В ТУСУРе используются маломощные генераторы импульсов наносекундной длительности, реализованные на базе биполярных транзисторов, работающих в режиме лавинного пробоя.

Обзор показывает, что в зависимости от решаемых задач требуются генераторы импульсов наносекундной длительности, сильно отличающихся друг от друга. Так, для систем видения в сложных погодных условиях необходимы импульсные напряжения амплитудой до 103 В, подаваемые на электронно-оптический преобразователь, а для формирования импульсов подсветки — токи до десятков ампер при сравнительно небольших напряжениях.

С.С. Сивцев, ВЛ. Шалимов. Генераторы импульсов наносекундной длительности...

105

В литературе отсутствуют сведения о работе электронно-оптических преобразователях в импульсных режимах, поэтому авторы статьи ставят перед собой следующие задачи: разработать генераторы импульсов требуемой длительности и амплитуды; исследовать работу ЭОП и матриц ПЗС в импульсных режимах.

Литература

1. Грехов И.В. Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов / И.В. Грехов, Г.А. Месяц. - Успехи физических наук, июль 2005. - Т. 175. - № 7. -С. 735-744.

2. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника : науч. издание / Г.А. Месяц. -М. : Наука, 2004. - 704 с. - ISBN 5-02-033049-3

3. Лазерный аппарат для медицины и косметологии [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.linline.ru/

4. Лазерная медицинская техника [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://unimed-quant.narod.ru

5. Поляков Н.П. Наносекундные озонаторы / Н.П. Поляков // Приборы и техника эксперимента, 2004. - № 5. - С. 126-129.

6. Области применения озонирующих установок [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.nppantares.ru

7. Волков В.Г. Активно-импульсные приборы ночного видения / В.Г. Волков // Специальная техника. 2002. - № 3 - С. 2-12.

8. Дегтярев П.А. Активно-импульсные телевизионные системы «Зонд» и «Обзор» в качестве телевизионно-вычислительных средств обеспечения безопасности и контроля : доклад, тезисы доклада / П.А. Дегтярев // Электронные средства и системы управления. - Томск : Издательство Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. - Ч. 1. - С. 258-261.

9. Телевизионная система наблюдения с импульсной лазерной подсветкой [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.nppgamma.com

10. Активация наносекундными импульсами материалов и процессов в точном литье [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://canegor.urc.ac.ru

11. Знаменский Л.Г. Электроимпульсные технологии в точном литье / Л.Г. Знаменский // Оборудование. - 2005. - № 2. - С. 29-31.

12. Знаменский Л.Г. Подготовка лигатур в электроимпульсном поле / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина // Оборудование. - 2005. - № 4. - С. 82-84.

13. Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока (обзор) / С.Н. Рукин // Приборы и техника эксперимента. - 1999. -№ 4. - С. 5-36.

Сивцев Степан Степанович

Аспирант каф. телевидения и управления ТУ СУ Ра

Телефон: (3822) 41 34 30

Эл. почта: stepanesku@mail.ru

Шалимов Вадим Александрович

Канд. техн. наук, доцент каф. телевидения и управления ТУСУРа Телефон: (3822) 41 34 30 Эл. почта: shal@tu.tusur.ru

Sivtsev S.S., Shalimov V.A.

Nanosecond pulse generators in the modern teechological processes

The application fields of nanosecond pulse generators are considered. It is shown that a range of duration and power of the generated pulses is extremely wide. Conclusions on the urgency of investigations and developments in the field of power and short pulses generation are drawn.