СПИРАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
SPIRAL GENERATOR OF HIGH VOLTAGE PULSES

Изобретение относится к устройствам, которые запасают электрическую энергию при одном, относительно низком напряжении, а разряжают запасенную энергию в виде короткого электрического импульса с более высоким напряжением, чем запасенное, и может быть использовано при разработке и изготовлении рентгеновских аппаратов, а также в научно-исследовательских целях. В частности, это касается устройств на основе спиральных полосковых линий, в которых накопители энергии и преобразователь энергии составляет единое целое.
Известны различные устройства для получения коротких высоковольтных импульсов на основе спиральных полосковых линий.
Спиральный генератор, предложенный Фитчем и Хауэллом в 1961-1964 годах [1-4], генератор Белкина и Жарковой [5] и модифицированный спиральный генератор [6]), до сих пор остаются достаточно редко применяемыми генераторами высоковольтных импульсов с умножением напряжения - в отличие от генератора Аркадьева-Маркса (ГИН), трансформатора Тесла и каскадного генератора Фитча. Схемы прототипов приведены на Фиг. 1.
Приведенные выше прототипы спиральных генераторов не способствует решению технической проблемы создания высокоэффективного, мощного, надежного высоковольтного устройства, чему препятствуют их следующие недостатки.
Проблемы возникают при попытке подогнать характеристики спирального генератора к габаритным и энергетическим характеристикам создаваемого высоковольтного устройства. Волновое сопротивление двухшинной спиральной линии, индуктивность намотки генератора, выходная емкость, выходная индуктивность, жестко связаны между собой и не поддаются раздельному регулированию.
Кроме того:
1. Спиральный генератор конструктивно содержит в себе индуктивность спиральной линии, подсоединенную параллельно выходу генератора. При срабатывании генератора, во время нарастания напряжения на нагрузке, часть выходного тока утекает через эту индуктивность, снижая КПД и рабочее напряжение генератора. Для высокого КПД необходимо малое отношение высоты (толщины) намотки 2⋅N⋅d к диаметру генератора D (здесь N - число витков, d - толщина одного слоя изоляции и шины). С другой стороны, зафиксировав D, нельзя беспредельно уменьшать 2⋅N⋅d - обмотка должна выдерживать выходное импульсное напряжение генератора и статическое напряжение зарядки длинных полосковых линий, составляющих генератор. КПД генератора может быть увеличен, а диаметр уменьшен, если поместить внутри и снаружи его магнитный сердечник [7]. Тогда габариты и вес могут увеличиваться уже из-за сердечника.
2. Выходная цепь генератора топологически устроена таким образом, что ток нагрузки вынужден один раз обходить вокруг сердечника [8, 9]. Это увеличивает выходную индуктивность генератора и снижает его конкурентоспособность по сравнению с другими источниками импульсов.
s
s
s
s
s
3. Проблемой является сильная зависимость КПД генератора от характеристик разрядника - его времени включения τ, индуктивности L и внутреннего сопротивления R. Для того чтобы линия работала как линия задержки, а не как колебательный контур состоящий из емкости линии N⋅C и индуктивности ключа L, необходимо чтобы импеданс и время срабатывания τ ключа были много меньше импеданса и времени прохода сигнала по полосковой линии. [10]. Это вступает в противоречие с требованием малых толщин намотки для увеличения КПД - при малых 2⋅N⋅d волновое сопротивление двухшинной линии уменьшается и, в свою очередь, требует рекордных характеристик разрядника, как правило, не достижимых на практике.
Этот набор противоречий приводит к реально получаемому на практике КПД около 9%, как это замечено, например, в работе [9], выполненной в Los Alamos Scientific Laboratory. Анализа и попытки выяснения причин снижения КПД в работе не приводится.
В качестве прототипа автором на основании анализа, проведенного в работе [6] выбран спиральный генератор [5], являющийся более общим устройством, нежели описанный в [1-4].
Техническим результатом предлагаемого решения является:
- снижение негативного влияния на КПД низкого волнового сопротивления двухшинной спиральной линии;
- повышение КПД, выходного напряжения, и полезной мощности устройства.
- уменьшение габаритов устройства без снижения выходных параметров.
Технический результат достигается конструкцией спирального генератора импульсных высоких напряжений, который включает в себя двухшинную длинную полосковую линию, намотанную в виде спирали в рулон, запасающую электрическую энергию при одном, относительно низком напряжении, и разряжающую запасенную энергию в виде короткого электрического импульса с более высоким напряжением, чем запасенное. Согласно изобретению, проводящие шины длинной полосковой линии спирального генератора выполнены профилированными, при этом на шинах произведены вырезы в форме меандра, разделяющие в пространстве индуктивную и емкостную часть вдоль оси намотки генератора.
Кроме того, спиральный генератор содержит магнитопровод, размещенный в индуктивной части.
Кроме того, спиральный генератор имеет замкнутый проводящий цилиндр, размещенный внутри емкостной части.
Таким образом, изобретение предлагает методы повышения КПД как спирального генератора [1-4], так и генераторов Белкина-Жарковой [5] и модифицированного генератора [6]. Позволяет убрать или снизить противоречия, описанные выше. Позволяет раздельно регулировать параметры генератора (такие как волновое сопротивление линии, индуктивность намотки генератора, выходную емкость), оптимизировать КПД совместно с габаритами и весом аппарата. Позволяет убрать влияние витка, через который ток вынужден течь в нагрузку, сделать приемлемой работу генератора с обычным (а не с рекордно малым по импедансу) разрядником.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг. 1 показаны схемы генераторов: а - схема Фитча - Хауэлла, обычный спиральный генератор; 6 - схема Фитча - Хауэлла +1 виток к внутренней шине, он же - частный случай трансформатора Белкина - Жарковой; в - трансформатор Белкина - Жарковой; г - вариант трансформатора Белкина - Жарковой+1 виток к внешней шине, он же модифицированный спиральный генератор - не являющийся схемой Фитча - Хауэлла.
На Фиг. 2 показана схема профилирования шин полосковой линии генератора с вырезами в форме меандра. Индуктивная и емкостная части шины разделены в пространстве вдоль оси намотки генератора: 1 - емкостная часть генератора шириной W, 2 - индуктивная часть генератора, шириной w.
На Фиг. 3 показана в разрезе схема генератора - с разделенными в пространстве, вдоль оси, индуктивной и емкостной частями: 1 - емкостная часть генератора шириной W, 2 - индуктивная часть генератора, шириной w, 3 - ферритовые магнитопроводы из диэлектрического феррита, 4 - изоляция между витками генератора, 5 - разрядник, замыкающий двухшинную линию генератора, 6 - проводящий цилиндр, который вытесняет магнитное поле в емкостной части генератора и служит выходным электродом, он может быть корпусом разрядника-обострителя на выходе генератора.
На Фиг. 4 показан импульсный рентгеновский аппарат на основе предложенной конструкции спирального генератора: 7 - спиральный генератор; 8 - аккумулятор; 9 - электронная схема питания и управления; 10 - рентгеновская трубка.
На Фиг. 5. показан внешний вид устройства на основе предложенной конструкции спирального генератора.
Схемы намотки генераторов в предлагаемом изобретении остаются такими же, как показаны на Фиг. 1. В качестве радикального метода решения большинства отмеченных выше противоречий предлагается сделать проводящие шины длинных линий спирального генератора профилированными, произведя на двухшинной линии вырезы в форме меандра, разделив в пространстве индуктивную и емкостную часть вдоль оси намотки генератора - как это показано на Фиг. 2.
Для определенности поместим один такой разрез на каждый виток ген оратора - один над другим. В такой конструкции можно независимо менять толщину изоляции, индуктивную и емкостную часть линии. Толщина изоляции d определяется рабочим напряжением генератора. Индуктивность зависит от ширины токоведущей части w и толщины изоляции d. Емкость зависит от длины по (меди) всего рулона вдоль оси генератора w+W (ширина токоведущей шины + ширина емкостного лепестка, не считая ширины окна). Увеличение волнового сопротивления в данной конструкции по сравнению с непрофилированной (обычной) конструкцией спирального генератора составляет величину
Именно во столько раз уменьшается токовая нагрузка на ключ и во столько же раз увеличивается время распространения волны вдоль линии. Это позволяет использовать ключ с большей собственной индуктивностью и большим временем включения, либо, не изменяя параметров ключа, получить большее выходное напряжение (КПД). Эффекты, связанные с разрядкой генератора собственной индуктивностью спирали остаются неизменными от профилирования - индуктивность спирали увеличивается в к раз, и во сколько же раз увеличивается время нарастания напряжения за счет прохода и отражения сигнала в линии.
При предложенной геометрии профилирования линия состоит из дискретных компонентов не только вдоль токоведущей шины. Емкостная и индуктивная часть генератора также разделены - но уже вдоль оси генератора (Фиг. 3).
Таким образом, предложенное техническое решение в виде профилирования меандром двухшинной спиральной линии:
(1.) снижает негативное влияние низкого волнового сопротивления двухшинной линии по сравнению с импедансом коммутатора, повышает КПД и уменьшает габариты устройства;
(2.) увеличивает индуктивность спирали, снижает паразитный ток утечки вдоль спирали и увеличивает КПД при помещении магнитопровода в индуктивную часть;
(3.) предельно уменьшает выходной импеданс генератора при работе генератора на нагрузку при помещении замкнутого проводящего цилиндра внутрь емкостной части. Таким образом вытесняется магнитное поле из выходной емкости генератора, что заставляет выходной ток течь в нагрузку непосредственно через стопку из 2⋅N последовательно включенных емкостей емкостной части генератора, минуя индуктивную часть генератора.
Каждое из предложенных конструктивных изменений повышает КПД, либо уменьшает габариты при неизменном КПД генератора (Фиг. 3).
Введение профилированного разреза позволяет раздельно решать противоречивые задачи по оптимизации параметров спирального генератора.
Таким образом, сочетание отличительных признаков в заявляемом устройстве создает существенный суммарный эффект, заключающийся в раздельном решении противоречивых задач по оптимизации параметров спиральных генераторов: согласования коммутатора со спиральной линией, повышения КПД, выходного напряжения, и полезной мощности устройства, уменьшения габаритов устройства без снижения выходных параметров.
Возможность создания генератора с достижением указанного технического результата поясняют нижеследующие примеры конкретного выполнения.
Все устройства, изображенные на Фиг. 1 в качестве прототипов - но, в отличие от прототипов, намотанные не полосками сплошной фольги, а профилированными линиями, изображенными на Фиг. 2. будут иметь лучшее согласование коммутатора со спиральной линией, повышенный КПД, более высокое выходное напряжение, и полезную мощность устройства, либо будут иметь меньшие габариты устройства по сравнению с прототипами без снижения выходных параметров.
Пример 1.
-9
В результате применения предлагаемых методик был создан спиральный генератор импульсов (Фиг. 4, 5) с напряжением U=150 кВ с фронтом нарастания τ~10 сек=1 нсек (за счет рарядника-обострителя), ударной емкостью 60 пФ, габаритным максимальным диаметром 74 мм (в него входит, в том числе, и размер магнитопровода, который больше, чем диаметр спирали D). Максимальная длина сборки генератора с разрядниками - не более 190 мм. Это гораздо лучше по массово-габаритным и временным параметрам чем, например, промышленно выпускаемое устройство [11].
l
N
Для создания профилированных линий (Фиг. 2) применялся фольгированный лавсан или фольгированный полиимид. С помощью химического травления лишняя медная фольга удалялась - оставался нужный медный профиль, приклеенный на диэлектрической подложке. Полученные профилированные линии прокладывались изоляционными пленками из лавсана или полиимида и уже из этого многослойного набора (пакета) наматывался спиральный генератор. Каждый период меандра профилированных линий имеет свою длину (L, L, Фиг. 2), вычисленную из толщины пакета намотки таким образом, что длина периода меандра совпадала с длиной соответствующего витка. В результате периодические узоры нижнего и верхнего витка накладываются друг на друга с минимальным сдвигом, и выходная емкостная часть спирального генератора состоит из последовательно включенных емкостей каждого слоя.
В качестве внутреннего и внешнего магнитопроводов применялись наборы диэлектрических ферритовых колец марки М200. В качестве проводящего цилиндра, вытесняющего магнитное поле из емкостной части генератора применялся корпус разрядника-обострителя с рабочим напряжением 150 кВ.
Список литературы
[1] Richard Antony Fitch and Vernon Thomas Seymour Howell. Improvement in or relating to Pulse Generators. 975,911 H 03 k. The Patent Office. London. Application Date May 18, 1961, No. 18136/61. Date of filing Complete Specification May 14, 1962. Complete Specification Published Nov. 25, 1964. © Crown Copyright 1964.
[2] US Patent Office. 3,289,015 Patented Nov. 29 1966. Pulse Generator. Richard Antony Fitch and Vernon Thomas Seymour Howell, Newbury, England, assignors to United Kingdom Atomic Energy Authority, London, England. Filed Oct. 1, 1964, SerNo. 403,688. Claims priority, application Grate Britain, Oct. 10, 1963, 30995/63.
[3] Octrooiraad Nederland. Octrooiraanvrage No. 278629, Klasse 95 a 7 a, I.P.C. H03k. Generator voor elektrische pulsen. Indieningsdatum 18 mei 1962. Datum van ter inzagelegging 24 nov. 1964.
[4] Fitch R.A. and Howell V.T.S., Novel Principle of Transient High-voltage Generation. Proc. IEE, V. 111, 1964. P. 849-855.
[5] Белкин H.B., Жаркова А.Я. A.c. 149494 СССР, Класс 21d2, 49. Импульсный трансформатор. Заявлено 06.09.1961 г. за №744249/26-9. Бюллетень изобретений №16, 1962.
[6] Пальчиков Е.И., Рябчун A.M., Красников И.Ю. Модифицированный спиральный генератор высоких напряжений для питания импульсного рентгеновского аппарата. ЖТФ. Т. 82 Вып.2, с. 136-146. 2012.
Pal'chikov E.I., Ryabchun A.M., Krasnikov I. Yu. Modified Spiral High-Voltage Generator for Feeding a Pulsed X-ray Apparatus. Technical Physics, 2012, Vol. 57, No. 2, pp. 292-301. © Pleiades Publishing, ISSN 1063-7842
[7] Millard Franklin Rose. Apparatus and method for generating high voltages using a voltage inversion generator and multiple closed-path ferrites. Patent No.: US 7,151,330 B2. Date of Patent: Dec. 19, 2006. Appl. No: 10/393325. Filed: Mar. 20, 2003.
[8] Рюль Ф., Герцигер Дж. Анализ спирального генератора. Приборы для научных исследований, 11, 1980. - С. 103-110.
F. Ruhl and G. Herziger. Analysis of the spiral generator. Rev. Sci. Instrum. 51(11), Nov. 1980. P. 1541-1547.
[9] C. Brau, J.Raybun, J. Dodge, F. Gilman. Simple, Pulsed, Electron Beam Gun. University of California, Los Alamos Scientific Laboratory. Review of Scientific Instruments. 48, No. 9, 1977. P. 1154-1160.
[10] Биченков Е.И., Башкатов Т.Ю., Пальчиков Е.И., Рябчун A.M. Об уточнении теоретической модели для спирального генератора высоких напряжений. ЖТФ, 2007, том 77, выпуск 12, с. 66-72.
Е.I. Bichenkov, Е.I. Palchikov, А.М. Ryabchun, Т. Yu. Bashkatov. On the refinement of the theoretical model for a high-voltage spiral generator. // Technical Physics. December 2007, Volume 52, Issue 12, pp 1597-1603.
[11] Golden et al. United States Patent. Patent number 5,442,677. Date of patent aug. 15, 1995.