ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
PULSE VOLTAGE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в ускорителях прямого действия, предназначенных для регистрации быстропротекающих процессов (например, для импульсной рентгенографии) в полигонных условиях.
Обзор найденных при поиске источников по генераторам импульсных напряжений (ГИН) показывает, что в мегавольтном диапазоне выходных напряжений наиболее компактными и энергоемкими конструкциями обладают ГИН, собранные по схеме Аркадьева-Маркса. Однако не все из них пригодны в качестве импульсных источников для ускорителей, используемых для импульсной рентгенографии. Значительная часть этих ускорителей относится к ускорителям прямого действия и содержит генератор высоковольтных импульсов, подключенный непосредственно к двухэлектродной ускорительной трубке со взрывоэмиссионным катодом. Для эффективной работы взрывоэмиссионного катода и обеспечения минимальной длительности импульсов тормозного излучения, ГИН ускорителя должен обладать минимальной индуктивностью разрядного контура. Кроме того, импульсная рентгенография часто производится в полигонных условиях, поэтому ГИН должен работать в широком диапазоне температур и обладать стабильностью настроек, устойчивостью к вибрациям и ударам, а также отличаться простотой обслуживания, сборки и разборки. Большое значение также имеет технологичность изготовления ГИН с наименьшими затратами материальных ресурсов и рабочего времени.
Известен генератор Аркадьева-Маркса (Патент US №6060791 A, "Ultra-compact Marx-type high voltage generator", H02M 3/18, David A. Goerz et al., опубликовано 09.05.2000), содержащий низкопрофильные высоковольтные керамические конденсаторы кольцевой формы и расположенные соосно с ними низкопрофильные низкоиндуктивные высоковольтные газовые разрядники под давлением. Конденсаторы и разрядники объединены в колонну с очень плотной компоновкой и малой индуктивностью, что позволяет использовать данный ГИН для импульсной рентгенографии.
Недостатком данной конструкции являются большие межкаскадные емкости вследствие малого расстояния между соседними каскадами. Для компенсации этого недостатка, который приводит к снижению надежности срабатывания ГИН, в данном техническом решении используются дополнительные конденсаторные столбы, которые увеличивают емкость каскадов на корпус. При этом конденсаторные столбы расположены за пределами колонны и значительно увеличивают поперечные размеры корпуса ГИН. Кроме того, применение каскадных конденсаторов специальной формы, предназначенных только для данного ГИН, делает данное устройство нетехнологичным при штучном производстве и не позволяет оперативно изменять емкость каскадов.
Известен генератор Аркадьева-Маркса с масляной изоляцией (B.C. Гладков и др. "Мегавольтный частотный генератор импульсов", ПТЭ, 2009, №3, с. 53-58), содержащий однотипные каскады с конденсатором и разрядником в каждом каскаде. Как и предыдущий аналог, этот ГИН также обладает плотной компоновкой и низкой индуктивностью разрядного контура благодаря применению плоских бумажно-масляных конденсаторов и также низкопрофильных разрядников.
Недостатками этого генератора также являются большие межкаскадные емкости. Негативное влияние этих емкостей на надежность срабатывания ГИН компенсируется применением пяти управляемых разрядников, что приводит к усложнению конструкции. К тому же плоские бумажно-масляные конденсаторы имеют квадратную форму с острыми неэкранированными углами, которые могут провоцировать несанкционированные пробои и тем самым ограничивают предельное выходное напряжение ГИН даже при наличии запаса по электропрочности самих конденсаторов. Использование масляной изоляции снижает надежность генератора при работе в полевых условиях.
Наиболее близким к заявляемому является генератор Аркадьева-Маркса с высокой плотностью компоновки (патент RU №2576383, Н03K 3/00 "Генератор Аркадьева-Маркса". Юрьев А.Л. и др., опубл. 10.03.2016), содержащий несколько каскадов с керамическими конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, а также импульсный трансформатор и зарядные столбы катушек индуктивности. Каскады закреплены на стойке, состоящей из двух диэлектрических параллельных пластин и расположенной вдоль оси генератора. Все элементы генератора расположены в металлическом герметичном корпусе, заполненном трансформаторным маслом, оси разрядников и конденсаторов параллельны друг другу и перпендикулярны оси ГИН, катушки индуктивности расположены вдоль оси генератора. Керамические конденсаторы снабжены экранами со скругленными краями. Экраны защищают конденсаторы высокопотенциальных каскадов от пробоев их на корпус ГИН. Первый каскад выполнен с управляемым разрядником, что позволило повысить стабильность выходных напряжений и надежность срабатывания ГИН.
Основным недостатком устройства по прототипу является недостаточная в ряде случаев емкость и запасенная энергия разрядного контура. Увеличение емкости каскадов путем параллельного соединения большего количества конденсаторов при заявленной компоновке устройства приведет к ухудшению массогабаритных показателей. Кроме того, применение масляной изоляции снижает надежность работы ГИН в полигонных условиях, использование отпаянных газовых разрядников с неизменным напряжением пробоя делает невозможным оперативную регулировку выходного напряжения, а обслуживание ГИН с целью настройки и ремонта усложняется тем, что для доступа к отдельным узлам и элементам приходится разбирать все каскады ГИН.
Задачей данного изобретения является создание компактного наносекундного генератора импульсных напряжений мегавольтного диапазона с увеличенной энергией в разрядном контуре и возможностью оперативной регулировки выходного напряжения, работающего в полевых условиях с высокой надежностью и простотой обслуживания.
Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей за счет увеличения емкости разрядного контура, обеспечения эффективной экранировки высокопотенциальных узлов и элементов ГИН, ликвидации последствий возможных искрений сильноточных контактных соединений, обеспечения простоты доступа к любому узлу или элементу. Дополнительным техническим результатом является возможность оперативно регулировать напряжения пробоя коммутирующих разрядников ГИН.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным компактным генератором импульсных напряжений, содержащим несколько каскадов с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, зарядные столбы катушек индуктивности, расположенные вдоль оси генератора между стенками корпуса и элементами каскадов, при этом все элементы генератора расположены в изолирующей среде в герметичном металлическом корпусе, каскады закреплены на диэлектрической стойке, разрядник по меньшей мере первого каскада выполнен управляемым, конденсаторы каскадов снабжены защитными металлическими экранами со скругленными краями, новым является то, что изолирующей средой является сжатый газ, стойка выполнена в виде центральной пластины, на которой в шахматном порядке расположены каскады, конденсаторы объединены в последовательно-параллельные сборки и установлены на дополнительных пластинах, расположенных с боков стойки перпендикулярно к ней и оси генератора, пластины прикреплены к стойке диэлектрическими винтами и усилены с боков плоскими диэлектрическими элементами, на пластинах попарно и симметрично относительно их плоскостей закреплены конденсаторы, внутренние выводы пар конденсаторов соединены металлическими шпильками, внешние выводы конденсаторных сборок параллельно соединены металлическими соединительными шинами, разрядники закреплены диэлектрическими винтами на стойке перпендикулярно к ней и электрически соединены с конденсаторными сборками при помощи цилиндрических штырей, входящих в цанговые контакты на соединительных шинах сборок смежных каскадов, зарядка конденсаторов каскадов обеспечивается через два потенциальных и два заземленных столба катушек индуктивности.
Применение сжатого газа в качестве изолирующей среды генератора позволяет повысить надежность работы устройства ввиду того, что электропрочность газа значительно меньше зависит от окружающей температуры по сравнению с трансформаторным маслом. Возможные искрения сильноточных контактов в газе не будут являться причиной уменьшения надежности генератора, поскольку, в отличие от искрений в масле, не приводят к накоплению продуктов разложения в виде пузырьков с низкой электропрочностью. Кроме того, при условии использования этого же газа в качестве рабочей среды для коммутирующих разрядников ГИН, для изменения его выходного напряжения достаточно изменить давление или состав газа внутри генератора.
Выполнение стойки, на которой закреплены каскады генератора, в виде одной центральной диэлектрической пластины, значительно облегчает доступ к каждому отдельному каскаду. При необходимости можно извлекать любой разрядник, конденсаторную сборку и т.д. без разборки всего устройства. Это упрощает обслуживание генератора и процесс сборки-разборки в случае необходимости замены или ремонта любого элемента или узла.
Расположение каскадов в шахматном порядке позволяет максимально снизить межкаскадные емкости и этим повысить надежность работы генератора без обязательного применения таких дополнительных мер, как использование управляемых разрядников в нескольких первых каскадах, увеличение емкости каскадов на корпус и т.д. К тому же расположенные друг напротив друга дугообразные сборки конденсаторов с экранами образуют внутреннюю область, защищенную от воздействия внешнего электрического поля, возникающего при срабатывании генератора. Расположение разрядников и стойки внутри этой области позволяет предотвратить пробои вдоль изолятора разрядников, по поверхности диэлектрической стойки и т.п., что способствует повышению надежности генератора.
Закрепление конденсаторов каскада металлическими шпильками на дополнительной диэлектрической пластине, установленной перпендикулярно стойке, дает возможность обеспечить как плотную компоновку конденсаторных сборок, так и простоту их сборки и разборки. Усиление крепежа дополнительных пластин к стойке боковыми диэлектрическими элементами (например, треугольными косынками из листового органического стекла) производится для повышения прочности всей конструкции при переходе от стойки с двумя пластинами, как у прототипа, к стойке, представляющую собой одну пластину.
Закрепление разрядников диэлектрическими винтами на центральной стойке перпендикулярно оси генератора обеспечивает надежную электропрочность и высокую механическую прочность конструкции, а также простоту монтажа генератора. Последнему также способствует включение разрядника в схему при помощи цанговых соединений, образованных цилиндрическими штырями на разрядниках и цанговыми контактами на дугообразных шинах соседних каскадов. При необходимости достать разрядник требуется только снять одну конденсаторную сборку, две катушки индуктивности и вынуть разрядник, выкрутив его крепежные винты. Все операции сборки и разборки могут производиться отверткой и гаечным ключом без применения пайки.
Наличие двух потенциальных и двух заземленных столбов катушек индуктивности для зарядки каскадов (в отличие от устройства по прототипу, в котором используются только один потенциальный и один заземленный столбы катушек индуктивности) позволяет избежать зигзагообразного расположения катушек при расположении каскадов генератора в шахматном порядке. Такое решение позволяет практически избежать выступания катушек за пределы каскадов и этим способствует плотности компоновки генератора.
Таким образом, в данном изобретении использование перечисленных отличительных признаков приводит к требуемому техническому результату.
На фиг. 1 приведена электрическая схема генератора, где:
1
2
2
1
L и L - зарядные катушки индуктивности; индуктивность и длина катушек L в 2 раза больше тех же параметров катушек L;
С - энергозапасающие конденсаторные сборки каскадов генератора;
ИТ - импульсный трансформатор для зарядки каскадов;
УР - управляемый разрядник первого каскада;
Р - неуправляемые разрядники;
ВВ - высоковольтный вывод. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны конструкция заявляемого компактного генератора импульсных напряжений, а также конструкция, расположение и соединение узлов смежных каскадов, где:
1 - центральная стойка;
2 - конденсаторные сборки;
3 - управляемый разрядник;
4 - неуправляемые разрядники;
5 - дополнительные диэлектрические пластины;
6 - основание;
7 - узел крепления стойки;
8 - плоские диэлектрические элементы;
1
9 - короткие катушки индуктивности L;
2
10 - длинные катушки индуктивности L;
11 - диэлектрические винты для закрепления разрядника;
12 - металлические шпильки;
13 - металлические соединительные шины;
14 - соединительные штыри разрядников;
15 - цанговые контакты;
16 - высоковольтный вывод генератора;
17 - энергозапасающие конденсаторы каскада;
18 - металлические экраны.
1
2
1
2
2
1
На фиг. 1 показана схема заявляемого компактного генератора импульсных напряжений. Генератор собран по схеме Аркадьева-Маркса с двумя потенциальными и двумя заземленными столбами катушек индуктивности. На схеме эти столбы представлены четырьмя горизонтальными цепочками последовательно соединенных индуктивных элементов L и L. Анализ схемы показывает, что после срабатывания генератора элементы L подвергаются воздействию импульса напряжения, амплитуда которого равна напряжению зарядки каскадов генератора. На элементах L выделяется импульс напряжения с амплитудой вдвое больше, поэтому длина и индуктивность катушек L также в 2 раза больше, чем у катушек L.
1
2
Примером конкретной реализации заявляемого устройства является десятикаскадный ГИН Аркадьева-Маркса, конструкция которого приведена на фиг. 2 (корпус не показан). Каскады ГИН закреплены на общей центральной стойке 1, все элементы ГИН расположены в стальном цилиндрическом корпусе, заполненном азотом или смесью азота с элегазом при давлении до 12 атм. Каждый каскад генератора содержит конденсаторную сборку 2 из шести конденсаторов и коммутирующий разрядник. В первом каскаде установлен управляемый разрядник 3, во всех остальных - неуправляемые разрядники 4. Внутренние полости разрядников сообщаются с объемом ГИН. Конденсаторные сборки установлены на дополнительных диэлектрических пластинах 5. Пластины 5 закреплены на центральной стойке 1, сама стойка закреплена на основании 6 из капролона при помощи узла крепления 7. Для повышения прочности пластин 5 их крепление усилено плоскими диэлектрическими элементами (треугольными косынками) 8. Элементы 1, 5, 8 выполнены из листового органического стекла. Зарядка каскадов генератора осуществляется через короткие катушки индуктивности 9 и длинные катушки 10 (на схеме они представлены элементами L и L), образующие два потенциальных и два заземленных столба, расположенные вдоль оси генератора по обе стороны центральной стойки. Разрядники установлены на стойке при помощи диэлектрических винтов 11, конденсаторы закреплены на пластинах 5 стальными шпильками 12. Внешние выводы конденсаторных сборок 2 параллельно соединены металлическими соединительными шинами 13. Соединение разрядников с конденсаторными сборками 2 осуществляется при помощи штырей 14 на разрядниках и цанговых контактов 15, установленных на шинах 13. Выходное напряжение генератора выводится через высоковольтный вывод 16. Все элементы и узлы генератора располагаются в герметичном корпусе, заполненном сжатым азотом.
В качестве энергозапасающих конденсаторов использованы керамические конденсаторы FHV-12AN емкостью 2.12 нФ и с рабочим напряжением 50 кВ. Конденсаторная сборка одного каскада содержит три пары конденсаторов, соединенных последовательно, наружные выводы пар соединены параллельно. Емкость сборки 3.18 нФ, рабочее напряжение до 100 кВ. Соответственно, емкость в ударе ГИН составит 318 пФ. Амплитуда выходного импульса напряжения может регулироваться путем изменения давления и состава газа, используемого в качестве изолирующей среды ГИН. При использовании чистого азота, выходное напряжение ГИН на холостом ходу составит 0.5 MB при давлении 0.6 МПа и 1 MB при давлении 1.2 МПа. Длина ГИН без корпуса составляет 1100 мм, диаметр 240 мм. Реализация заявляемого устройства заключается в более чем трехкратном увеличении запасенной энергии по сравнению с прототипом при сохранении плотной компоновки узлов и элементов, а также в повышении надежности ГИН и обеспечении простоты обслуживания, в том числе в полигонных условиях.