ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
HIGH-VOLTAGE PULSE GENERATOR

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.
Известно устройство (Воробьев Г.А., Руденко Н.С. Генератор наноеекундных импульсов напряжения 500 кВ // ПТЭ. 1965. №1 с 109-111.).
Генератор включает в себя генератор Маркса, подключенный к дополнительной индуктивности, которая в свою очередь электрически связана с малоиндуктивным конденсатором, представляющим собой отрезок коаксиальной длинной формирующей линии, состоящей из двух цилиндрических обкладок с пространством между ними, заполненным глицерином. Внутренняя обкладка конденсатора является также корпусом разрядной камеры, заполненной азотом, в которую помещен коммутирующий разрядник. Матоиндуктивный неуправляемый разрядник с другой стороны подключен к передающей линии, представляющей собой латунную трубку, заполненную трансформаторным маслом. На противоположном конце предающая линия соединена с нагрузкой.
Недостатком такого генератора является:
1. Несогласованность волновых сопротивлений малоиндуктивного конденсатора, представляющего собой отрезок коаксиальной длинной линии, и передающей линии, обусловленная различием отношений диаметров внутреннего и внешнего электродов малоиндуктивного конденсатора и предающей линии.
2. Наличие неуправляемого разрядника, нестабильности во временах его срабатывания. Он не может быть синхронизирован с разрядниками генератора Маркса, поскольку каждый неуправляемый разрядник обладает собственным временем задержки (не всегда стабильным).
3. В схеме зарядка компенсирующего конденсатора производится генератором импульсного напряжения (ГИН) - генератором Маркса с емкостью во много раз превышающей емкость самого конденсатора. Поэтому в нагрузку поступает лишь малая часть энергии, запасенной в ГИН.
Наиболее близким к заявленному устройству является генератор высоковольтных импульсов (Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Шпак В.Г. ПТЭ (6) 73 (1976)).
Он состоит из генератора Маркса, электрически соединенного с коаксиальной одинарном формирующей линией (ОФЛ) с газовой изоляцией высокого давления, связанной в единый общий обком, заполненный газом при определенном давлении, с блоком разрядного узла, объединяющего обостряющий и срезающий разрядники, так называемого слайсера. служащего для формирования заднего фронта высоковольтного импульса. Конструкция слайсера позволяет в рабочем режиме менять зазоры разрядников с помощью эксцентричных механических приводов.
При срабатывании генератора Маркса происходит зарядка коаксиальной формирующей линии, при достижении пробойного значения напряженности электрического поля происходит пробой зазора обостряющего разрядника и далее импульс распространяется по передающей линии к нагрузке. Длительность переднего фронта импульса определялась скоростью нарастания напряжения  на обостряющем разряднике. Сама же скорость нарастания фронта напряжения задавалась генератором Маркса. Срезающий разрядник работал в условиях «бегущей волны» и при более высоком значении  и поэтому задний фронт сформированного импульса был в два-три раза короче переднего.
Основными недостатками данной системы являются:
1. Наличие в конструкции генератора импульсов сложного устройства - слайсера. Его конструкция включает в себя эксцентриковые механизмы приводов. Привод подвижного потенциального электрода обостряющего разрядника осуществлялся через тонкостенный изолятор, расположенный в зазоре газонаполненной коаксиальной формирующей линии с газовой изоляцией высокого давления. Зазоры разрядников регулировались с погрешностью 10 мкм. Использование слайсера значительно усложняет конструкцию в целом.
к
к
к
2. Зависимость времени коммутации t для пробоя межэлектродного промежутка согласно модели Ромпе и Вайнеля: время коммутации t пропорционально величине  где р-давление газа. Е - напряженность электрического поля. При неизменном напряжении статического пробоя газонаполненного межэлектродного промежутка обостряющего разрядника согласно закону Пашена произведение давления газа на длину промежутка pd тоже должно оставаться неизменным (для обостряющих разрядников очевидно рассматривается правая ветвь закона Пашена), а следовательно, неизменной будет и величина  здесь  - пробойные значения напряженности и напряжения. Это значит, что время t уменьшается с ростом давления. Поэтому в данном генераторе, для достижения коротких передних фронтов импульсов необходимо поддерживать давление газа до 100 атмосфер. Это сильно усложняет конструкцию генератора из-за необходимости поддержания высокого давления в слайсере, что важно для уменьшения времени коммутации. Кроме того, высокоточное регулирование межэлектродных зазоров серьезно усложняет конструкцию разрядного узла - слайсера. Все вышесказанное соответственно усложняет управление временем коммутации разрядника.
Технический результат заключается в упрощении управления временем коммутации разрядника за счет упрощения конструкции
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного генератора высоковольтных импульсов, содержащего электрически связанные между собой генератор импульсного напряжения, одинарную формирующую линию, разрядный узел, передающую линию и нагрузку, в предложенном генераторе одинарная формирующая линия и разрядный узел функционально разделены на два самостоятельно функционирующих элемента, в качестве разрядного узла использован неуправляемый разрядник, неуправляемый разрядник включен в электрическую цепь между одинарной формирующей линией и нагрузкой, при этом неуправляемый разрядник расположен в полосковой линии, один конец которой подключен к генератору постоянного напряжения через зарядное сопротивление, а на другом ее конце размещен закорачивающий разрядник, причем ось неуправляемого разрядника ориентирована вдоль полосковой линии, неуправляемый разрядник расположен на расстоянии  от закорачивающего разрядника, где τ - требуемая длительность формируемого электрического импульса, ν - скорость распространения электромагнитной волны по полосковой линии, а длина одинарной формирующей линии (ОФЛ) составляет
Предложенный подход к управлению временем коммутации разрядника состоит в управлении временем коммутации разрядника на «новом физическом принципе» -замагничивания переносчиков заряда (электронов и ионов) посредством поперечного магнитного поля, таким образом, чтобы продольное смещение заряженных частиц равное двойному ларморовскому радиусу было много меньше межэлектродного промежутка разрядника. С привлечением соответствующего математического аппарата, формулы которого важны, поскольку они определяют параметры физических процессов, положенных в основу данного устройства, эта идея выглядит следующим образом.
L
L
2R<<d (фиг. 1), где R- ларморовский радиус электрона, d - ширина разрядного промежутка разрядника или
где m - масса электрона, а
-31
0
- дрейфовая скорость электронов в газе, М - масса ионов газа, m=9,1⋅10 [кг] - масса электрона, λ - длина свободного пробега электрона, U - напряжение, приложенное к межэлектродному промежутку разрядника.
}
а
Величина индукции магнитного поля В внутри полосковой линии (ПЛ) составляет  - ток протекающий по линии U - напряжение приложенное к ПЛ,  - волновое сопротивление полосковой линии b - ширина линии,  -расстояние между пластинами ПЛ,  Теперь соотношение (1) примет вид:
Одинарная формирующая линия (ОФЛ) одним концом подсоединена к генератору импульсного напряжения (ГИН), а другим концом к сопротивлению нагрузки. В заявляемой конструкции может быть блок синхронизации, который посредством линий связи подсоединен через закорачивающий разрядник и ГИН к ОФЛ.
Физическая основа подхода создания генератора высоковольтных импульсов касается организации процесса управления коммутацией. Предложенная схема позволяет управлять временем начала и конца коммутации неуправляемого разрядника и.что очень важно, с малыми передним и задними фронтами генерируемого импульса.
Это организовано за счет того, что «неуправляемый» разрядник управляется посредством внешнего магнитного поля, создаваемого электрическими импульсами, распространяющимися в ПЛ. Это становится возможным посредством того, что коаксиальная одинарная формирующая линия и разрядный узел функционально разделены на два самостоятельно функционирующих элемента (а не объединены, как в прототипе, в общий объем, заполненный газом при определенном давлении) и обеспечена возможность размещения разрядника в ПЛ, в которой распространяются электрические импульсы. Эти импульсы определенным образом «включают» или «выключают» магнитное поле в ПЛ; магнитное поле в те моменты времени, когда оно «включается», запирает разрядник, а, когда поле «выключается», разрядник открывается, так как находится при этом под напряжением больше пробивного. Таким образом, формируется импульс напряжения на нагрузочном сопротивлении нужной длительности и с короткими передним и задним фронтами.
В заявляемой конструкции от внешнего статического источника питания ПЛ заряжается через зарядное сопротивление. В определенные времена блок синхронизации запускает ГИН и закорачивающий разрядник. После срабатывания закорачивающего разрядника в ПЛ начинают распространяться волны зарядки и разрядки.
Предложенное техническое решение позволяет отказаться от имеющего место в прототипе устройства сложной конструкции - слайсера и использовать для коммутации высоковольтного импульса неуправляемый разрядник при невысоких давлениях, что приведет к упрощению конструкции и упрощению управления процессом формирования импульса с короткими фронтами за счет управления временем коммутации разрядника.
На фиг. 1 схематично изображена траектория движения заряженных частиц.
На фиг 2. представлена принципиальная электрическая схема генератора высоковольтных импульсов, где
1 - ГИН - генератор импульсного напряжения;
2 - зарядное сопротивление;
3 - одинарная формирующая линия (ОФЛ):
4 - полосковая линия (ГШ);
5 - неуправляемый разрядник;
6 - блок синхронизации;
7 - закорачивающий разрядник;
8 - сопротивление нагрузки;
9 - внешний статический источник питания;
10 - зарядное сопротивление.
В генераторе высоковольтный импульсов (фиг. 2) одинарная формирующая линия 3 и разрядный узел 5 функционально разделены на два самостоятельно функционирующих элемента, в качестве разрядного узла 5 использован неуправляемый разрядник, неуправляемый разрядник 5 включен в электрическую цепь между одинарной формирующей линией 3 и нагрузкой 8, при этом неуправляемый разрядник расположен в полосковой линии 4, один конец которой подключен к генератору постоянного напряжения (внешний статический источник питания) 9 через зарядное сопротивление 2, а на другом ее конце размещен закорачивающий разрядник 7, причем ось неуправляемого разрядника ориентирована вдоль полосковой линии, неуправляемый разрядник расположен на расстоянии  от закорачивающего разрядника 7, где τ - требуемая длительность формируемого электрического импульса, ν - скорость распространения электромагнитной волны по полосковой линии, а длина одинарной формирующей линии (ОФЛ) 3 составляет  Одинарная формирующая линия (ОФЛ) 3 одним концом подсоединена к генератору импульсного напряжения (ГИН) 1, а другим концом к сопротивлению нагрузки 8. В заявляемой конструкции может быть блок синхронизации 6, который посредством линий связи подсоединен через закорачивающий разрядник 7 и ГИН 1 к ОФЛ 3.
1
пробойное
1
1
зарядки
пробойное
Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени блок синхронизации 6 производит коммутацию ГИН 1 и закорачивающего разрядника 7, расположенного на конце заряженной ПЛ 4 с волновым сопротивлением р. При закорачивании ПЛ, заряженной от внешнего статического источника питания 9, в ней формируется волна разрядки. За время  пока волна разрядки по полосковой линии достигнет неуправляемого разрядника 5, за это время t ГИН 1 успевает зарядить ОФЛ 3 до напряжения U=0,8÷0,9U. В момент времени равный tв межэлектродном промежутке неуправляемого разрядника возникает магнитное поле  где U - напряжение, до которого заряжена полосковая линия. При этом происходит замагничивание носителей заряда. Разрядник будет заперт, вследствие выполнения неравенства (2). В дальнейшем волна разрядки по полосковой линии движется в сторону, где установлено сопротивление зарядки 10. Поскольку R>>ρ на этом конце полосковой линии происходит отражение падающей волны разрядки, которая превращается в волну зарядки для полосковой линии. Когда волна зарядки достигнет неуправляемого разрядника в момент времени  где  расстояние от неуправляемого разрядника до конца ПЛ 4, подключенного к зарядному сопротивлению 10 (время отсчитывается от начала коммутации закорачивающего разрядника и ГИН), то к этому моменту времени ГИН должен зарядить ОФЛ до напряжения значительно большего, чем U, а магнитное поле в межэлектродном зазоре исчезнет. Как следствие, неуправляемый разрядник пробьется и сформирует импульс напряжения на нагрузке 8 с коротким передним фронтом, благодаря тому, что к нему будет приложено напряжение значительно большее, чем пробойное. В дальнейшем волна разрядки будет двигаться к концу полосковой линии, где размещен закорачивающий разрядник, а в неуправляемом разряднике магнитное поле будет отсутствовать. Подойдя к этому концу полосковой линии, волна зарядки отразится от закороченного конца линии и по ней в противоположную сторону начнет движение волна разрядки. При достижении этой волной неуправляемого разрядника в момент времени в нем опять скачком возникнет магнитное поле, удовлетворяющее условию (2), ток через разрядник прекратится и вместе с ним импульс напряжения на нагрузке с резким задним фронтом. В итоге на нагрузке сформируется импульс напряжения длительностью
3
Вследствие того, что длина ОФЛ составляет  то к ко времени t ОФЛ разрядится и процесс прекратится.
Ускоритель электронов выполнен следующим образом. Формирующая линия выполнена из пяти равных отрезков коаксиального кабеля КВИ-100 с волновым сопротивлением 60 Ом,
Для коммутации ПЛ использован управляющий разрядник РУ-78. ПЛ заряжается от стандартного внешнего источника питания SpelJman CZE 1000R. В качестве ГИН был выбран БИНГ-45 со следующими характеристиками:
• Выходное напряжение: от 60 до 80 кВ;
• Фронт формирования импульса: до 5 нс.
ПЛ имеет волновое сопротивление ρ=50 Ом. В качестве неуправляемого разрядника использовался разрядник РО-48 с пробивным напряжением 50кВ. К моменту запирания разрядника магнитным полем ПЛ напряжение на нем составляло порядка 45кВ, а к моменту прихода волны зарядки, когда магнитное поле исчезает, на разряднике оказываете напряжение около 80кВ.
Таким образом, генератор высоковольтных импульсов позволяет формировать на нагрузке высоковольтные импульсы определенной длительности и с короткими передним и задним фронтами при упрощении управления временем коммутации разрядника за счет упрощения конструкции по сравнению с прототипом.