СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
HIGH VOLTAGE PULSE GENERATION SYSTEM

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при разработке ускорителей заряженных частиц и мощных источников радиочастотного излучения.
В ходе разработки мощных электрофизических установок, работающих в импульсно-периодическом режиме с высокой средней мощностью электронного пучка, актуальной задачей является создание эффективных и надежных систем генерации импульсов высокого напряжения. Применимы несколько подходов использования схем умножения напряжения для таких установок. Наибольшее распространение получили генераторы импульсных напряжений Аркадьева-Маркса и генераторы прямоугольных сильноточных импульсов, построенных на искусственных формирующих линиях, работающих на первичную обмотку импульсного трансформатора.
За аналог заявляемой системы генерации импульсов высокого напряжения по совокупности признаков, выбрана система импульсно-периодической зарядки на газоразрядных коммутаторах емкостных накопителей формирователей высоковольтных импульсов (Байдаков Е.А. и др., патент РФ №2723440, опубл. 18.10.2019, патентообладатель ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»).
Недостатками системы импульсно-периодической зарядки емкостных накопителей формирователей высоковольтных импульсов, выбранной в качестве аналога, являются наличие буферной емкости и промежуточного накопителя энергии образующих два контура перезарядки, что усложняет конструкцию и существенно увеличивают габариты и массу установки в целом. В буферном емкостном накопителе запасено большое количество энергии, которая с помощью коммутаторов дозировано передается формирователю высоковольтных импульсов. При нарушениях в работе системы импульсно-периодической зарядки может произойти полная разрядка буферной емкости на формирователь высоковольтных импульсов, что приведет к разрушению последнего. Все это значительно снижает надежность и ресурс установки.
За прототип, наиболее близкий к заявляемой системе генерации импульсов высокого напряжения по совокупности признаков, выбрана система генерации, описанная в статье - A compact low jitter high power repetitive long-pulse relativistic electron beam source // Falun Song, Fei Li, Beizhen Zhang, //Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A, 2019, Vol. 919, Pp. 56.
Прототип содержит блок управления, источники питания положительного и отрицательного напряжения, генераторы высоковольтных импульсов с газоразрядными коммутаторами (выполняющие функцию формирователя высоковольтных импульсов и умножителей напряжения), работающие на общую нагрузку - диод ускорителя.
Система генерации, выполненная по схеме прототипа, работает следующим образом: конденсаторы формирователя высоковольтных импульсов в первом высоковольтном генераторе заряжаются от положительного, а во втором от отрицательного источников питания до требуемого напряжения. Генератор высоковольтных импульсов в этой системе сочетает в себе функции формирователя высоковольтных импульсов и умножителя напряжения. Генератор высоковольтных импульсов представляет собой 20-ступенчатый генератор Маркса, включающий 21 модуль формирования импульсов с двумя конденсаторами, 20 газоразрядных коммутаторов, системы циркуляции и охлаждения газа, электрический источник запуска с низким уровнем джиттера и вспомогательную опорную конструкцию. При пробое запускающих газоразрядных коммутаторов осуществляется самопробой последующих коммутаторов с прогрессивно нарастающим напряжением; с выводом квазиквадратного сигнала на нагрузку. Схема системы генерации использует для зарядки формирователей высоковольтных импульсов положительный и отрицательный источники питания, что уменьшает количество газоразрядных коммутаторов и способствует миниатюризации системы. Газоразрядные коммутаторы в высоковольтном генераторе синхронно запускаются источником электрического триггера с маленьким джиггером, после умножителя на выходе формируется импульс напряжения определенной амплитуды и длительности.
Недостатками системы генерации, выбранной в качестве прототипа, являются;
- входящий в состав системы генератор импульсов высокого напряжения, построенный по схеме Маркса, требует применения большого числа газоразрядных коммутаторов, работающих на пределе своих возможностей (частота следования импульсов, коммутируемая энергия, статическое напряжение…), что отрицательно сказывается на ресурсе и надежности;
- одновременное применение источников питания положительного и отрицательного напряжения усложняет схему системы зарядки.
Техническая проблема состоит в совершенствовании схемы построения системы генерации импульсов высокого напряжения при обеспечении стабильности и качества генерируемого импульса.
Ожидаемым техническим результатом предполагаемого решения является повышение надежности и ресурса генератора импульсов высокого напряжения при упрощении схемы зарядки формирователей без потери качества передаваемого импульса.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известной системы генерации импульсов высокого напряжения, содержащей блок управления, источник питания, генераторы высоковольтных импульсов с газоразрядными коммутаторами, образованные формирователями высоковольтных импульсов и умножителями напряжения, работающие на общую нагрузку, в предложенной системе генерации импульсов высокого напряжения выбран однополярный источник питания, обеспечивающий зарядку конденсаторов двух формирователей высоковольтных импульсов, построенных на основе искусственных формирующих линий, а умножителями напряжения служат два высоковольтных импульсных трансформатора, обеспечивающие передачу высоковольтных импульсов на общую нагрузку.
Процесс генерации импульсов в общем состоит в том, что энергия, запасенная в формирователях, коммутируется и трансформируется через умножитель на нагрузку (ускоритель заряженных частиц, источник радиочастотного излучения…). При этом заряд конденсаторов формирователей обеспечивает высоковольтный импульсный источник питания. А на выходе заявляемой системы формируется высоковольтный импульс необходимой амплитуды и длительности.
То есть для повышение надежности и ресурса системы генерации импульсов высокого напряжения (без потери качества передаваемого импульса) при упрощении схемы зарядки формирователей, по сравнению с прототипом, применен однополярный источник питания, позволяющий обеспечить преимущественный режим работы выбранного типа формирователей высоковольтных импульсов, построенных на основе искусственных формирующих линий. и при этом использовать положительные качества предложенного типа умножителей (пары импульсных трансформаторов).
Выбор типа источника питания обеспечивает упрощение схемы зарядки относительно прототипа, Вместо источников питания положительного и отрицательного напряжения, имеющих место в прототипе, использован однополярный высоковольтный импульсный источник питания.
Использование формирователей высоковольтных импульсов, построенных на основе искусственных формирующих линий, по сравнению с генератором импульсов высокого напряжения, построенным по схеме Маркса, имеющим место в прототипе, позволит существенно снизить количество газоразрядных коммутаторов в схеме генерации.
Эти факторы положительно скажемся на схеме генерации импульсов с точки зрения надежности, ресурса и простоты схемы,
Физика работы импульсного трансформатора в интересах заявляемого результата такова.
Основу импульсного трансформатора составляет сердечник из аморфных сплавов в комбинированном защитном контейнере из стеклотекстолита с сечением, обеспечивающим трансформацию импульса напряжения без насыщения, на котором размещены первичная и вторичная обмотки.
Необходимо отметить, что выходная мощность формирователя ограничивается величиной напряжения насыщения сердечника, выбранного для импульсного трансформатора.
Способность импульсного трансформатора передавать в нагрузку энергию определяется следующим выражением:
1
Где U - напряжение, прикладываемое к первичной обмотке,
Δt - длительность импульса напряжения;
n - число витков первичной обмотки;
S
ΔB - максимальное приращение индукции магнитного поля в сердечнике;
S - площадь сечения сердечника.
1
В правой части уравнения стоит некая константа, пропорциональная n, а в левой - линейно нарастающая по времени величина пропорциональная U. Понятно, что в какой-то момент времени обе части сравняются, Физически это означает, что сердечник импульсного трансформатора насытился, потерял ферромагнитные свойства и перестал передавать энергию в нагрузку.
Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков на вторичной и первичной обмотках. На первичную обмотку с формирователя подаются импульсы напряжения. С вторичной обмотки снимаются трансформированные импульсы. Трансформатор находится в герметичном баке, который для обеспечения необходимой электропрочности заполняется трансформаторным маслом.
Проблема увеличения длительности нарастания тока и напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора является одной из наиболее актуальных при использовании формирователей для питания ускорителей. Для обеспечения наилучшей генерации электронного пучка с катода форма импульса напряжения должна быть максимально приближена к прямоугольной и, следовательно, фронт импульса должен быть минимален. Для максимально качественной передачи формы импульса вторичная обмотка трансформатора должна находиться как можно ближе к первичной. Чем дальше вторичная обмотка отстоит от первичной, тем больше становится значение индуктивности утечки и тем больше значение шунтирующей емкости между обмотками и нагрузкой. Два этих параметра оказывают влияние на время нарастания импульса напряжения во вторичном контуре трансформатора.
Но основное влияние на фронт выходного импульса трансформатора оказывает индуктивность рассеивания, которая прямо пропорциональна длине обмоток. Из формулы (1) очевидно, чем меньше сечение сердечника импульсного трансформатора, тем меньше величина напряжения которое можно падать на первичную обмотку и при котором он не войдет в насыщение. Для работы мощных ускорителей заряженных частиц требуется импульсы напряжения более 200кВ. При коэффициенте трансформации 10-15 для достижения таких амплитуд напряжения требуются достаточно габаритные сердечники, а значит и трансформаторы в целом. Чем больше сердечник, тем длиннее обмотки, а значит больше индуктивность рассеивания и, следовательно, фронт выходного импульса.
В заявляемой системе генерации импульсов высокого напряжения применяются включенные последовательно два высоковольтных импульсных трансформатора работающие на общую нагрузку, преобразующие импульсы напряжения от формирователей, построенных из искусственных формирующих линий, зарядка которых осуществляется от высоковольтного источника питания одной полярности. Последовательное соединение вторичных обмоток импульсных трансформаторов позволяет получить суммирование амплитуды выходных импульсов на нагрузке - ускорителе.
Применение двух трансформаторов вместо одного позволяет использовать сердечники в два раза меньшего сечения, что значительно уменьшает габариты и массу, при уменьшении в два раза амплитуды входного, а. следовательно, и выходного импульса напряжения. Последовательное включение двух импульсных трансформаторов на общую нагрузку обеспечивает суммирование амплитуды импульсов напряжения. Снижение в два раза амплитуды выходного импульса каждого из двух последовательно соединенных трансформаторов, по сравнению с одним большим, позволяет уменьшить зазоры между обмотками, обеспечивающие электропрочность, что также уменьшает габариты. Уменьшение габаритов влечет за собой уменьшение длины обмоток. Это снизит индуктивность рассеивания трансформатора, фронт выходного импульса и, следовательно, обеспечит более качественную передачу импульса в нагрузку.
Таким образом, предложенное усовершенствование схемы генерации обеспечивает повышение надежности и ресурса генератора импульсов высокого напряжения при упрощении схемы зарядки формирователей без потери качества передаваемого импульса.
На фиг. 1 приведена блок-схема заявляемой системы генерации импульсов высокого напряжения.
На фиг. 2 приведена электрическая схема заявляемой системы генерации импульсов высокого напряжения, где;
1-ИП - источник питания;
2-R - зарядный резистор;
3-Р - газоразрядный коммутатор;
4-ФЛ - формирователь высоковольтных импульсов;
5-ИТ - импульсный трансформатор - умножитель напряжения;
нагр
6-R - нагрузка (ускоритель).
Алгоритм работы заявляемой системы генерации импульсов высокого напряжения следующий:
Формирователи высоковольтных импульсов 4, построенные на искусственных формирующих линиях, состоят из конденсаторов, обеспечивающих суммарный энергозапас и межзвеньевых индуктивностей. Сформированный необходимой амплитуды и длительности высоковольтный импульс с помощью газоразрядных коммутаторов 3 передается на первичную обмотку импульсных трансформаторов - умножителей напряжения 5.
Энергия, запасенная в формирователях, трансформируется и коммутируется на нагрузку 6 (ускоритель заряженных частиц, источник радиочастотного излучения…). Передача энергии от формирователей к умножителям напряжения (импульсным трансформаторам) может осуществляться всего двумя газоразрядными коммутаторами. По сравнению с прототипом, где используются 40 коммутаторов, очевидно, что надежность и ресурс заявляемой системы генерации импульсов высокого напряжения существенно выше.
Заряд емкости (конденсатора) формирователей через зарядный резистор 2, обеспечивает однополярный высоковольтный импульсный источник питания 1, что упрощает схему зарядки относительно прототипа.
Получив преимущества в ресурсе, надежности и простоте реализации, относительно прототипа, важно обеспечить максимально качественную передачу формы импульса от системы генерации импульсов высокого напряжения к нагрузке - ускорителю, что обеспечено выбором в качестве умножителя пары трансформаторов.
Таким образом, построение заявляемой системы генерации импульсов высокого напряжения по предлагаемой схеме позволит повысить надежность и ресурс ее работы, при упрощении схемы зарядки формирователей без потери качества передаваемого импульса.