УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
DEVICE FOR GENERATING SUBNANOSECOND PULSES

Устройство относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в генераторах знакопеременных высоковольтных импульсов, предназначенных, например, для излучателей электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона.
Известно устройство для формирования высоковольтных импульсов, содержащее формирующую линию (ФЛ), два разрядника-обострителя, две передающих линии, срезающий разрядник, нагрузку [1]. Работает устройство следующим образом. От источника импульсного напряжения заряжается ФЛ, затем срабатывает первый разрядник-обостритель, и ФЛ разряжается на первую передающую линию (ПЛ), после зарядки которой срабатывает второй разрядник-обостритель, и на второй ПЛ к нагрузке распространяется импульс с субнаносекундным фронтом, который приводит к срабатыванию срезающего разрядника и шунтированию нагрузки. Длительность импульса определяется временем запаздывания пробоя срезающего разрядника на корпус (внешний проводник) второй передающей линии.
Недостатками данного устройства являются наличие третьего (срезающего) разрядника и трудность формирования знакопеременной (колебательной), например, биполярной формы импульса, которая необходима для запитки излучателей электромагнитных импульсов.
Известны устройства для формирования мощных субнаносекундных импульсов, содержащие зарядное устройство, соединенное с первой ФЛ, которая через первый разрядник-обостритель соединена со второй ФЛ, последняя через второй разрядник-обостритель соединена с выходной низкоомной ФЛ, которая, в свою очередь, через многоканальный кольцевой разрядник и согласующий трансформатор соединена с выходной ПЛ [2]. В качестве зарядного устройства используется импульсный трансформатор с накопительной емкостью и разрядником.
Работает устройство следующим образом. При подаче импульса на первичную обмотку импульсного трансформатора на его вторичной обмотке и на первой ФЛ возникает импульс высокого напряжения, который приводит к пробою первого разрядника-обострителя и зарядке второй ФЛ. При достижении на второй ФЛ напряжения, близкого к максимальному напряжению, срабатывает второй разрядник-обостритель, и происходит быстрая зарядка выходной ФЛ. Благодаря большим перенапряжениям происходит многоканальный пробой кольцевого разрядника, и по ПЛ к нагрузке распространяется импульс с фронтом в доли наносекунды. Длительность импульса определяется длиной выходной ФЛ и может составлять также доли наносекунды.
Возможны варианты данного устройства, в которых отсутствуют вторая ФЛ и соответствующий разрядник-обостритель. Формирующая линия, находящаяся перед выходной ФЛ, может быть одинарной или двойной [3].
Недостатком данного устройства является трудность формирования биполярных или колебательных импульсов. Колебательные импульсы могут формироваться только при большой разнице между волновыми сопротивлениями выходной ФЛ и подсоединенной к ней (через разрядник) ПЛ, ведущей к нагрузке.
Наиболее близким техническим решением является устройство для формирования субнаносекундных импульсов, описанное в патенте РФ №2206175 [4]. Устройство содержит зарядный источник импульсного напряжения, систему формирования импульсов, состоящую из ФЛ, высоковольтный токопровод которой с одной стороны соединен с выходом зарядного источника импульсного напряжения, а с другой через разрядник-обостритель - с высоковольтным токопроводом выходной формирующей линии, ПЛ, подключенную к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом ФЛ и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом. Корпус выходной ФЛ выполнен большего диаметра, чем корпус ПЛ, и снабжен крышкой с отверстием, являющейся частью корпуса выходной ФЛ, причем к крышке по периметру отверстия подсоединен корпус ПЛ. Высоковольтный токопровод выходной ФЛ выполнен в виде диска, края которого по всему периметру образуют с внутренней поверхностью корпуса выходной ФЛ множественные искровые разрядники, а центральная часть высоковольтного токопровода выходной ФЛ соединена с начальной частью высоковольного токопровода ПЛ через электрическую емкость.
Особенностью данного устройства является выполнение выходной ФЛ в виде радиальной линии с дисковым высоковольтным электродом. Использование радиальной линии вместо традиционной цилиндрической линии позволяет увеличить амплитуду импульса на нагрузке.
Другой особенностью данного устройства является то, что кольцевой разрядник расположен не на выходе выходной ФЛ, а на ее входе, и включен не последовательно между центральными электродами линий, а параллельно, и закорачивает на входе выходную ФЛ. Выходная ФЛ соединена с выходной ПЛ через разделительную емкость.
После пробоя кольцевого разрядника закороченная с входного конца линия выходная ФЛ работает как резонатор, затухающие колебания которого через электрическую емкость поступают в выходную ПЛ.
Достоинствами данного устройство являются его конструктивная простота и возможность менять скорость затухания колебаний, получая колебания различной формы, начиная от практически моноимпульсных - до нескольких периодов затухающей синусоиды. Скорость затухания колебаний можно регулировать, изменяя волновое сопротивление выходной линии или величину разделительной емкости.
Недостатком данного устройства является относительно низкий кпд, особенно в случае радиальной ФЛ. Только примерно 20% энергии, запасенной первоначально в формирующих линиях, преобразуется в энергию выходных колебаний. Основные потери энергии происходят на омических сопротивлениях (сопротивлениях искры) разрядников, которые изменяются во времени от практически бесконечных величин перед пробоем до величин порядка одного ома после пробоя. Наибольшие потери энергии происходят в начальной части времени коммутации, когда омическое сопротивление разрядника относительно велико. Для уменьшения потерь желательно, чтобы основная часть заряда (интеграла тока по времени) протекала через разрядник после его коммутации или хотя бы на последней стадии коммутации, когда омическое сопротивление разрядника минимально. Очевидно, что для выполнения этого условия времена коммутации соответствующих разрядников должны быть меньше характерных времен процессов в формирующих линиях. Как правило, это условие выполняется для первого разрядника и не выполняется для выходного, поэтому основные потери происходят в выходном разряднике.
В случае использования радиальной ФЛ выходной кольцевой разрядник расположен при максимальном радиусе линии - там, где погонная емкость линии максимальна и накапливается большая часть заряда. Это обуславливает излишне большой ток в начальное время пробоя и большие потери.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности формирования субнаносекундных импульсов.
Техническим результатом является повышение кпд устройства за счет уменьшения потерь энергии в кольцевом разряднике и повышение электрической прочности устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формирования субнаносекундных импульсов, содержащем источник импульсного напряжения, ФЛ, внутренний электрод которой с одной стороны соединен с высоковольтным выводом источника импульсного напряжения, а с другой - через разрядник-обостритель с внутренним дисковым электродом радиальной ФЛ и через электрическую емкость с внутренним электродом ПЛ, подключенной к нагрузке, и кольцевой разрядник, причем внешние электроды ФЛ, радиальной ФЛ и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом, во внешнем электроде радиальной ФЛ выполнена кольцевая выемка, в которой расположен внутренний дисковый электрод радиальной ФЛ, при этом выемка закрыта кольцевой крышкой, а кольцевой разрядник расположен у ее внутренней кромки.
Кольцевой разрядник может быть образован поверхностью кольцевой крышки и кольцевым выступом, расположенным на внутреннем дисковом электроде радиальной формирующей линии напротив внутренней кромки кольцевой крышки.
Кольцевой разрядник может быть образован поверхностью внутреннего дискового электрода радиальной формирующей линии и кольцевым выступом, расположенным на кольцевой крышке непосредственно у ее внутренней кромки.
Диаметр отверстия кольцевой крышки может быть равен полусумме диаметров: диаметра кольцевой выемки и внутреннего диаметра внешнего электрода ПЛ.
Обе поверхности и торец внутреннего дискового электрода радиальной ФЛ могут быть расположены на одинаковом расстоянии от внутренней поверхности внешнего электрода радиальной ФЛ и кольцевой крышки.
Дисковый электрод радиальной ФЛ может быть выполнен с цилиндрическим углублением в центре, в котором расположена начальная часть внутреннего электрода ПЛ.
Величина тока, протекающего через кольцевой разрядник, пропорциональна погонной емкости радиальной ФЛ в месте расположения разрядника. Известно, что в радиальной ФЛ погонная емкость пропорциональна радиусу. Поэтому максимальная погонная плотность накопленного заряда радиальной линии находится у края дискового электрода. При расположении кольцевого разрядника ближе к центру дискового электрода погонная емкость ФЛ в месте расположения кольцевого разрядника меньше максимальной погонной емкости во столько раз, во сколько радиус кольцевого разрядника меньше радиуса дискового электрода. Это приводит к снижению потерь в разряднике и увеличению кпд устройства для формирования субнаносекундных импульсов.
Выбор диаметра отверстия в кольцевой крышке и кольцевого разрядника равным полусумме диаметров: диаметра кольцевой выемки и внутреннего диаметра внешнего электрода ПЛ позволяет получить наибольший кпд за счет уменьшения скорости затухания колебаний выходного напряжения.
Выполнение радиальной линии с постоянным, минимально допустимым из высоковольтных соображений, расстоянием между электродами позволяет запасать в линии максимально возможную при данных габаритах энергию и, соответственно, получать импульс с максимальной энергией и амплитудой.
Выполнение дискового электрода радиальной ФЛ с цилиндрическим углублением в центре позволяет увеличить выходную конструктивную электрическую емкость без использования диэлектрической вставки. Отсутствие диэлектрика повышает электрическую прочность устройства.
На фиг.1 изображен общий вид устройства для формирования субнаносекундных импульсов.
На фиг.2 изображен общий вид устройства для формирования субнаносекундных импульсов с выполнением цилиндрического углубления в центре дискового электрода радиальной ФЛ.
На фиг.3 изображена электрическая принципиальная схема источника импульсного напряжения.
На фиг.4 изображены графики напряжения на формирующих линиях, ПЛ и разрядниках.
На фиг.5 изображена упрощенная расчетная модель устройства для формирования субнаносекундных импульсов с возможными вариантами расположения кольцевого разрядника в радиальной ФЛ.
На фиг.6 изображены графики импульсов напряжения на выходе модели устройства для формирования субнаносекундных импульсов при различных вариантах расположения кольцевого разрядника.
На фиг.7 изображены основные характеристики модели устройства для формирования субнаносекундных импульсов в зависимости от варианта расположения кольцевого разрядника.
Устройство для формирования субнаносекундных импульсов (фиг.1) содержит источник импульсного напряжения 1, ФЛ 2, выполненную в виде отрезка коаксиальной линии, внутренний электрод 3 которой с одной стороны соединен с высоковольтным выводом источника импульсного напряжения 1, а с другой - через разрядник-обостритель 4 с внутренним дисковым электродом 5 радиальной ФЛ 6 и через электрическую емкость 7, являющуюся конструктивной емкостью, с внутренним электродом 8 ПЛ 9, подключенной к нагрузке 10, кольцевой разрядник 11. В результате этого источник импульсного напряжения 1, ФЛ 2, радиальная ФЛ 6 и ПЛ 9 последовательно соединены друг с другом.
Внешние электроды 12, 13, 14 ФЛ 2, радиальной ФЛ 6 и ПЛ 9 являются их корпусами, соединены друг с другом и представляют собой единый внешний проводник, являющийся общим внешним корпусом и электромагнитным экраном устройства для формирования субнаносекундных импульсов. Внутренний электрод 3 ФЛ 2 закреплен в корпусе 12 с помощью изолятора 15, служащего также для разделения диэлектриков, наполняющих линии.
Во внешнем электроде 13 радиальной ФЛ 6 выполнена кольцевая выемка 16, в которой расположен внутренний дисковый электрод 5 радиальной ФЛ 6. При этом выемка закрыта кольцевой крышкой 17, а кольцевой разрядник 11 расположен у ее внутренней кромки 18. Кольцевая крышка 17 соединена с внешним электродом 13, и в результате этого они образуют единый внешний электрод радиальной ФЛ 6.
Кольцевой разрядник 11 может быть образован поверхностью кольцевой крышки 17 и кольцевым выступом 19, расположенным на внутреннем дисковом электроде 5 радиальной формирующей линии 6 напротив внутренней кромки 18 кольцевой крышки.
Кольцевой разрядник 11 (фиг.2) может быть образован поверхностью внутреннего дискового электрода 5 радиальной формирующей линии 6 и кольцевым выступом 19, расположенным на кольцевой крышке 17 непосредственно у ее внутренней кромки 18.
1
2
Диаметр отверстия кольцевой крышки 17 может быть равен полусумме диаметров: диаметра d кольцевой выемки 16 и внутреннего диаметра d внешнего электрода ПЛ 14 (фиг.1).
Радиальная ФЛ 6 (фиг.1, 2) (в отличие от прототипа) имеет два последовательно соединенных участка, расположенных по разные стороны дискового электрода 5 радиальной ФЛ 6. Первый участок радиальной ФЛ образован внешним электродом 13 и стороной дискового электрода 5, обращенной к электрической емкости 7 и ПЛ 9.
Второй дополнительный участок радиальной ФЛ 6 образован кольцевой крышкой 17 и стороной дискового электрода 5, обращенной к ФЛ 2 и разряднику-обострителю 4.
Обе поверхности и торец внутреннего дискового электрода 5 радиальной формирующей линии 6 могут быть расположены на одинаковом расстоянии от внутренней поверхности внешнего электрода 13 радиальной формирующей линии 6 и поверхности кольцевой крышки 17, обращенной к дисковому электроду 5.
Дисковый электрод 5 (фиг.2) радиальной формирующей линии 6 может быть выполнен с цилиндрическим углублением 20 в центре, в котором расположена начальная часть 21 внутреннего электрода 8 предающей линии 9.
Источник импульсного напряжения 1 (фиг.3) может состоять, например, из накопительной емкости 23, разрядника 24 и импульсного трансформатора 25.
1
2
Устройство для формирования мощных субнаносекундных импульсов работает следующим образом. После пробоя разрядника 24 в источнике импульсного напряжения 1 накопительная емкость 23 разряжается через первичную обмотку трансформатора 25. На вторичной обмотке трансформатора 25 возникает импульс высокого напряжения, который заряжает ФЛ 2. В определенный момент времени t (фиг.4), когда напряжения на ФЛ 2 (кривая 1) и на разряднике-обострителе 4 (кривая 2) близки к максимуму, начинается коммутация разрядника-обострителя 4, и начинается зарядка радиальной ФЛ 6 и быстрый рост напряжения на ней и на зазоре кольцевого разрядника 11 (кривая 3). Благодаря большим перенапряжениям в момент времени t начинается многоканальный пробой кольцевого разрядника 11 (кривая 3). От разрядника 11 по радиальной ФЛ 6 распространяется электромагнитная волна с фронтом в доли наносекунды, часть которой через электрическую емкость 7 попадает в ПЛ 9, а часть отражается от емкости 7, и возникает волна, которая возвращается назад по радиальной ФЛ 6 к кольцевому разряднику 11, затем отражается от короткозамкнутого кольцевым разрядником 11 конца радиальной ФЛ 6 и вновь распространяется к емкости 7. Таким образом, в радиальной ФЛ 6 возникают затухающие колебания, которые вызывают субнаносекундный импульс напряжения в ПЛ 9 (кривая 4). Период колебаний определяется длиной радиальной ФЛ 6, а скорость затухания зависит от величины емкости 7 и соотношения волновых сопротивлений ПЛ 9 и выходного участка радиальной ФЛ 6.
Однако, в отличие от прототипа, в начальные моменты пробоя через кольцевой разрядник 11 течет меньший ток, чем при расположении разрядника на краю диска, и потери в разряднике снижаются. Величина тока, протекающего через разрядник, пропорциональна погонной емкости радиальной ФЛ 6 в месте расположения разрядника 11. Известно, что в радиальной ФЛ 6 погонная емкость пропорциональна радиусу дискового электрода 5. Поэтому максимальная погонная плотность накопленного заряда радиальной ФЛ 6 находится у края дискового электрода 5. Именно там расположен разрядник у прототипа. В предлагаемом месте расположения кольцевого разрядника 11 погонная емкость радиальной ФЛ 6 меньше максимальной погонной емкости во столько раз, во сколько радиус кольцевого разрядника 11 меньше радиуса дискового электрода 5.
1
2
Влияние положения кольцевого разрядника 11 на свойства устройства для формирования субнаносекундных импульсов рассматривалось на простой расчетной модели устройства (фиг.5), состоящей из радиальной ФЛ, кольцевого разрядника, конструктивной электрической емкости и ПЛ без устройств подвода напряжения. Величина зарядного напряжения ФЛ выбрана равной 1 В. Расчетные данные приведены для четырех вариантов расположения кольцевого разрядника (фиг.5). Первый вариант расположения разрядника соответствует прототипу. Размеры отверстия кольцевой крышки для остальных вариантов соответствуют положению кольцевого разрядника. Расчетные графики выходного напряжения (фиг.6) показывают, что при переносе разрядника на другую сторону диска и смещении его в направлении оси устройства для формирования субнаносекундных импульсов практически сохраняется максимальная амплитуда колебаний выходного напряжения, но уменьшается скорость их затухания, что приводит к существенному увеличению энергии импульса в нагрузке и, следовательно, к увеличению кпд. Это видно и из зависимостей кпд (кривая 1) и энергии импульса (кривая 2) от варианта расположения разрядника (фиг.7). Из характера этих зависимостей следует, что для получения наибольшего кпд достаточно выбрать положение кольцевого разрядника, соответствующее варианту 3, то есть выбрать диаметр отверстия в кольцевой крышке и кольцевого разрядника примерно равным полусумме диаметров: диаметра d кольцевой выемки и внутреннего диаметра dвнешнего электрода ПЛ.
Таким образом, использование изобретения позволяет существенно повысить кпд и электрическую прочность устройства для формирования субнаносекундных импульсов.
Источники информации
1. Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.19.
2. Agee F.J., Scholfield D.W, Prather W., Burger J.W., Povernil ultra-wide Band RF Emitters status and Challenges Proceedings of SP1E, 1995, v. 2557, pp.98-109.
3. O'Loughlin J.P., Nanosecond Transmission Line charging Apparatus. US Patent №5,444,308, 22.08.1995.
4. Балдыгин В.А., Никифоров М.Г. Устройство для формирования субнаносекундных импульсов. Патент РФ №2206175, 10.06.2003.